电工学场效应

电工学场效应1第1页，课件共42页，创作于2023年2月N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：2第2页，课件共42页，创作于2023年2月15.9.1绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010

以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。3第3页，课件共42页，创作于2023年2月一、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB4第4页，课件共42页，创作于2023年2月1.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD5第5页，课件共42页，创作于2023年2月(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大UGS

耗尽层变宽。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)

或UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。6第6页，课件共42页，创作于2023年2月(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID

。可变电阻区b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。预夹断c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，增大部分全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，iD因而基本不变。恒流区a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区7第7页，课件共42页，创作于2023年2月DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图UDS

对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD

。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。8第8页，课件共42页，创作于2023年2月3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS<UT，iD=0；

UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT

时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图(a)图(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区。UGS增加9第9页，课件共42页，创作于2023年2月二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；

UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

UGS=

UP,感应电荷被“耗尽”，iD

0。UP或UGS(off)称为夹断电压，负值10第10页，课件共42页，创作于2023年2月N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS

正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET11第11页，课件共42页，创作于2023年2月三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)

，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS

可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。12第12页，课件共42页，创作于2023年2月场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT

或UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流，为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107

以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109

。13第13页，课件共42页，创作于2023年2月二、交流参数1.低频跨导gm受控源参数2.极间电容用以描述栅源之间的电压uGS

对漏极电流iD

的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。14第14页，课件共42页，创作于2023年2月跨导gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID15第15页，课件共42页，创作于2023年2月三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS

，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDM16第16页，课件共42页，创作于2023年2月场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。17第17页，课件共42页，创作于2023年2月晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)场效应管与晶体管的比较18第18页，课件共42页，创作于2023年2月噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成晶体管场效应管19第19页，课件共42页，创作于2023年2月§15.9.2场效应管放大电路1.电路的组成原则及分析方法(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流（ID）区。(2)动态:能为交流信号提供通路。组成原则静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法20第20页，课件共42页，创作于2023年2月N沟道耗尽型绝缘栅场效应管符号及特性曲线GSDIDUDSUGSGSD21第21页，课件共42页，创作于2023年2月UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导gm=

ID/

UGS

ID=gm

UGSid=gmugsID=gm

UGS22第22页，课件共42页，创作于2023年2月2场效应管的微变等效电路GSDSGDrDSidrDS=

UDS/

ID很大，可忽略。23第23页，课件共42页，创作于2023年2月场效应管的微变等效电路压控电流源（VCCS）SGDid流控电流源(CCCS)对照becrbeic=ibib24第24页，课件共42页，创作于2023年2月3场效应管放大电路uo+UDDRSuiCSC2C1RDRGRLGDSIDUDSIS注：栅极无电流UGS＝－RSIS＝－RSIDUDS＝UDD－RDID–RSIS=UDD－ID(RD+RS)电路中元件作用：RG－栅极电阻RS－源极电阻RD－漏极电阻CS－源极旁路电容SEEP82思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。25第25页，课件共42页，创作于2023年2月RLuoC2思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。SEEP8226第26页，课件共42页，创作于2023年2月4分压式偏置电路静态分析无输入信号时（ui=0），估算：UDS和ID。uo+UDD=+20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4VP84例27第27页，课件共42页，创作于2023年2月IG=0直流通道+UDD+20VR1RDRGR2200K51K1M10KRS10KGDSIDUDSIG计算得：28第28页，课件共42页，创作于2023年2月动态分析微变等效电路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10K29第29页，课件共42页，创作于2023年2月动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRL

DRLRD=–gmUiRL

电压放大倍数负号表示输出输入反相30第30页，课件共42页，创作于2023年2月电压放大倍数估算=-1.5

（10//10）=-7.5RL=RD//RLR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V31第31页，课件共42页，创作于2023年2月ro=RD=10K

SGR2R1RGRL

DRLRD输入电阻、输出电阻=1+0.2//0.051=1.0407M

rirori=RG+R1//R2R1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V32第32页，课件共42页，创作于2023年2月5源极输出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KR1=200k

R2=51k

RG=1M

RD=10k

RS=10k

RL=10k

gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)＝-4V33第33页，课件共42页，创作于2023年2月静态工作点:计算得：IG=034第34页，课件共42页，创作于2023年2月uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10K微变等效电路：35第35页，课件共42页，创作于2023年2月微变等效电路：Ui=Ugs+UoUo=Id(RS//RL)=gmUgsRLrirogR2R1RGsdRLRS36第36页，课件共42页，创作于2023年2月求riri=RG+R1//R2rirogR2R1RGsdRLRS37第37页，课件共42页，创作于2023年2月求ro加压求流法=RS1+gmRSrirogR2R1RGsdRLRS38第38页，课件共42页，创作于2023年2月ri=RG+R1//R2+UDD+20VuoRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KA