场效应晶体管和基本放大电路PPT学习教案

会计学1场效应晶体管和基本放大电路场效应晶体管和基本放大电路思考：3-1习题：3-3、3-4、3-7、3-11第1页/共75页理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数； 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。第2页/共75页 第3页/共75页 N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D NNPP 将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。 P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。 第4页/共75页N沟道符号dsgdsgP沟道符号结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。第5页/共75页d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图 若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。 在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。第6页/共75页 这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图正常工作时： 在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）第7页/共75页 当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。 随| UGS |增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。 | UGS |增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。第8页/共75页 | UGS |增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的值为 第9页/共75页dsgUDSID 当 UDS =0时，虽有导电沟道，但ID为零。 当UDS 0时，产生ID，但，近漏极电压最大，近源极电压最小。 导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。第10页/共75页dsgUDSID 随着UDS增加，栅-漏电压|UGD|增加，近漏端沟道进一步变窄。 只要漏极附近的耗尽区不出现相接， 随着UDS 的增加， ID线性增加。第11页/共75页UDSdsgAID 随着UDS增加，当UGD = UGS - UDS = UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。 称第12页/共75页UDSdsgAID 预夹断之后，UDS 再增加，预夹断延伸,夹断区长度增加（AA）。夹断区的阻力增大。 此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”A第13页/共75页 UGS 增加，使导电沟道变窄，、间的正电压使沟道不等宽。dsgUDSUGSID第14页/共75页。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。 dsgUDSUGSID第15页/共75页（未出现夹断前），对于不同的UGS ，漏源之间等效成不同阻值的电阻， ID随UDS 的增加 线性增加。（）。 ID几乎只决定于UGS，而与UDS 无关，可以把ID近似看成UGS控制的电流源。 （）第16页/共75页（输出特性和转移特性）ID = f (UDS )UGS = 常数（因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。）IDUDS（第17页/共75页 （预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD= UGS（off）的点而成。） IDUDS第18页/共75页IDUDS第19页/共75页 导电沟道全部夹断。 条件：UGS UGS（off） 特点： ID 0 UDS增加到一定程度，电流急剧增大。IDUDS第20页/共75页ID = f (uGS )UDS = 常数 由半导体物理分析可得恒流区ID近似表达式为：2)()1 (offGSGSDSSDUuII30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12第21页/共75页 （管子工作在可变电阻区时，不同的uDS ，转移特性曲线有很大差别。）30123 UGS / VUGS(off)ID /mA4IDSS12第22页/共75页432104812UGS =0V3V4V输出特性转移特性123 1V20123 uGS / VUGs(off) uDS / ViD /mAiD /mA44第23页/共75页栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。 N沟道（ N MOS） 增强型 耗尽型 P沟道（ P MOS） 增强型 耗尽型 绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为MOS管。 第24页/共75页 通常衬底和源极连接在一起使用。P型硅衬底源极S 栅极G漏极D 衬底引线BN+N+SiO2 栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。 栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。第25页/共75页DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号第26页/共75页P衬底BN+N+SGD D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压， ID =0。第27页/共75页P耗尽层衬底BN+N+SGD 由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，形成耗尽层。第28页/共75页P衬底BN+N+SGD反型层。 耗尽层增宽,将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。 UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。 第29页/共75页将产生一定的漏极电流ID 。沟道中各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。 ID随着的增加而线性增大。P衬底BN+N+SGD第30页/共75页P衬底BN+N+SGD 随着UDS的增大， UGD减小，当UDS增大到UGD 时 ，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为。 第31页/共75页P衬底BN+N+SGD 若UDS继续增大，夹断区延长。漏电流ID几乎不变化，管子进入恒流区。ID几乎仅仅决定于UGS 。此时可以把。第32页/共75页恒流区击穿区可变电阻区4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)输出特性转移特性 UDS / VID /mA夹断区第33页/共75页2)()1(thGSGSDODUUIIUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mA第34页/共75页 制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向 ，就会产生ID。结构示意图P源极S漏极D 栅极GBN+N+正离子反型层SiO2 只有当小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的称为夹断电压 。第35页/共75页dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgDBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型MOS管符号第36页/共75页432104812UGS =1V2V3V输出特性转移特性1230V101 2123 UGS / VIDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA第37页/共75页NMOS耗尽型PMOS耗尽型场效应管的符号及特性第38页/共75页NMOS增强型PMOS增强型场效应管的符号及特性第39页/共75页P沟道结型N沟道结型场效应管的符号及特性第40页/共75页管号管号UGS(th)/VUS/VUG/V UD/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区截止区可变电阻区第41页/共75页 UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值,它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负） UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负， PMOS管为正）。第42页/共75页 栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生 预夹断时的漏极电流。第43页/共75页gm=iD / uGS UDS =常数 gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即第44页/共75页 rds反映了UDS对ID的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。常数GSUDDSdsiur第45页/共75页管子正常工作时漏极电流的上限值。 管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。第46页/共75页 对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。 对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。 PDM决定于管子允许的温升。第47页/共75页 1.场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大； 晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。 场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。第48页/共75页2. 晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3. 场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4. 场效应管比晶体管噪声系数小。5. 场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。第49页/共75页6. 场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8. 场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。第50页/共75页能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方法相同。 为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。第51页/共75页 场效应管放大电路也必须建立合适的静态工作点，保证有输入信号时工作在恒流区。 此电路形式只适用于耗尽型MOS器件。 静态时RG的电流近似为零，靠源极电阻上的电压为栅-源提供一个负偏压。第52页/共75页（ 栅极电流为0）2)()1 (offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU)(sDDQDDDSQRRIVU（耗尽型MOS管的电流方程）第53页/共75页电路结构直流通路第54页/共75页sDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU2122)() 1(thGSGSDODQUUII（栅极电流为0）IDQ UGSQ)(SDDQDDDSQRRIVU（增强型MOS管的电流方程）第55页/共75页求静态静态工作点作5 . 0，1场效应管的,18,30,2,10,47,2图示电路中，:例）（21mAIVUVVkRkRMRkRMRDSSoffGSDDDSGGG22)()11 (5 . 0)1 (GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212解：（求静态，电容开路）。第56页/共75页DQGSQGSQDQIUUI24 . 0)1 (5 . 02VUVUmAImAIDSGSQDQDQ1 . 822. 031. 0所以)64. 095. 0(（本例IDQ不应大于IDSS)第57页/共75页(,)DGSDSif uuDSUDSDGSUGSDDuuiuuiiGSDSddd求全微分 与分析晶体管的h参数等效模型相同，将场效应管也看成两端口网络。11DSGSDmGSUDDSdsUdmgsdsdsiguiurIg UUr令第58页/共75页低频小信号模型是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。dsdsgsmdUrUgI1。第59页/共75页sdg.UgsgmUgs第60页/共75页mDO DQGS(th)2gIIUDQDSSoffGSmIIUg)(2耗尽型（结型）：增强型：Q点不仅影响电路是否失真,还影响动态参数。第61页/共75页微变等效电路第62页/共75页/OdLuigsmgsLmLgsLDLUI RAUUg U Rg RURRR GiRR DoRR 第63页/共75页例33图3-14电路中令CS和RL开路，.1,10,2,2,100,30021mSgkRkRMRkRkRmDSGGG计算u、Ri和Ro图3-14解：先画出微变等效电路第64页/共75页12/2.075iGGGRRRRMkRRDo10共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大。3.31gsOmDugsigsmSmDmDUg URAUUg URg Rg R 第65页/共75页微变等效电路第66页/共75页/1mgsLouigsmgsLmLLLSmLg URUAUUg URg RRRRg R（）21/GGGiiiRRRIUR( ,源极跟随器) 1uA第67页/共75页（断开负载，输入信号短路，输出端加电压，求输出电流。)共漏极输出电阻较小。11/1ooSmmoSURRggIRoR1()gsooomgsomSSUUUIg UUgRR 第68页/共75页例3图示电路，其中VUmAIkRkRMRkRkRoffGSDSSLSGGG45,2,2,5,10,9121）（，场效应管的1)求静态工作点IDQ和UGSQ2)计算u、Ri和Ro解:1)求静态参数：DQSDQDDGGGSQGQGSQGSQoffGSGSQDSSDQIRIVRRRUUUUUUII21)41 (5)1 (21222)(第69页/共75页1212()1.434.371 2 1.431.86(1 2 4.37)7.74()DQDQGSQGSQGS offImAImAUVUVU ，（）舍去把IDQ的表达式代入gm表达式可求出：mSUUUIgoffGSGSQoffGSDSSm34. 1)1 (2)()(第70页/共75页1/543oSmRRg1.3411 1.340.57mLumLg RAg R12/5iGGGRRRRk第71页/共75页共源电路 共漏电路 共栅电路（以N沟道结型场效应管为例）第72页/共75页第73页/共75页第74页/共75页