场效应管与其放大电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,主讲：杨霓清,第二章 半导体放大器件及其基本放大电路,第二章 半导体放大器件及其基本放大电路,主 讲： 杨 霓 清,电 话：（手机）,Email:,2005-11-13,第二章 半导体放大器件及其基本放大电路 主 讲：,1,思考题：,1.,温度升高时，静态工作点将如何变化？为何会产生如此的变化？,2.,稳定,Q,点的偏置电路是哪种？,3.,稳定,Q,点的措施有哪些？,4.,单管小信号放大器由几种组态？哪一种组态放大器的功率增益最大，哪种放大器的输入电阻最大，而输出电阻最小？,5.,用作中间放大级常采用哪种组态的电路？,6.,为何输入级常采用射极输出器？,7.,写出三种组态放大器的电压增益、电流增益、输入电阻、输出电阻的表达式。,思考题：,2,2.6,场效应管及其放大电路,一、绝缘栅场效应管的工作原理及伏安特性,二、 结型场效应管工作原理及伏安特性,2.6.1,场效应管工作原理及伏安特性,2.6.2,场效应管的主要参数,2.6.3,场效应管的小信号模型,2.6.4,场效应管放大器,2.6 场效应管及其放大电路一、绝缘栅场效应管的工作原理及伏,3,晶体管的主要特点,1.,电流控制型器件。,2.,输入电流大，输入电阻小。,3.,两种极型的载流子都参与导电，又称为双极型晶体管，简称,BJT,（,Bipolar Junction Transistor,),。,晶体管的主要特点1. 电流控制型器件。2. 输入电流大，,4,场效应管，简称,FET (Field Effect Transistor,),。,(,a),输入电阻高，可达,10,7,10,15,M,。,(b),起导电作用只有多数载流子，又称为单极型晶体管。,(c),在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。,场效应管的主要特点,场效应管是一种依靠多子的漂移运动形成电流的电压控制型器件。,场效应管，简称FET (Field Effect Tran,5,2.,结型场效应管， 简称,JFET,(,Junction Field Effect Transistor,),。,按结构可分为,场效应管的类型,1.,绝缘栅型场效应管 简称,IGFET,(,Isolated Gate Field Effect Transistor,),。,按导电沟道分,1.N,沟道,FET,2.P,沟道,FET,按导电沟道形成的机理分,增强型（,E,型,（,Enhancement-Type,）,）,FET,耗尽型（,D,型,(,Depletion-Type,),）,FET,2.结型场效应管， 简称JFET 按结构可分为场效应管的类型,6,2.6.1,场效应管工作原理及伏安特性,(P.134,144,第四章,4.5,节,),一,.,绝缘栅型场效应管（,IGFET,）工作原理及伏安特性,在近代大规模、超大规模集成电路中采用的,IGFET,绝大多数是金属,-,氧化物,-,半导体结构的场效应管。（,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,。简称为,MOSFET,）,MOSFET,分为,N E,（,Enhancement-Type,）,MOS,P E MOS,N D,(,Depletion-Type),MOS,P D MOS,2.6.1 场效应管工作原理及伏安特性 一. 绝缘栅型,7,（,1,）,N E,MOSFET,的结构及电路符号,(a),为立体结构示意图,(b),为平面结构示意图,(c),电路符号,下面以,N,沟道,MOSFET,为例，讨论,E,型绝缘栅场效应管的结构、工作原理、伏安特性。,1,、增强型（,E,）,MOSFET,工作原理及伏安特性,(drain),(gate),(source),（1）N E MOSFET 的结构及电路符号 (a)为立体,8,（,2,）,NE,MOS,场效应管的导电沟道形成过程及工作原理,（2）NEMOS场效应管的导电沟道形成过程及工作原理,9,衬底中的载流子在垂直电场作用下移动（同性相斥、异性相吸），直到 ，形成反型层，,N,+,区被反型层连在一起，形成导电沟道。,此时若 ，,（,A,）当 时，无导电沟道， 。,小结：,NEMOS,导电沟道的形成及工作原理,（,1,） 的控制作用,（,B,）当 且 时，,衬底中的载流子在垂直电场作用下移动（同性相斥,10,（,C,）当 继续增加，导电沟道加深，导电能力增强。,只要 ， 增大。,（,2,） 的控制作用,开始,PN,结沿沟道不均匀分布,当,沟道预夹断,几乎不变，只是略增（沟道长度调制效应），进入恒流区。,（C）当 继续增加，导电沟道加深，,11,（,3,）,N E,MOS,场效应管的伏安特性,式中：,U,GS,（,th,）,开启电压,(,或阈值电压,),；,n,沟道电子运动的迁移率；,C,ox,单位面积栅极电容；,W,沟道宽度；,L,沟道长度；,W/LMOS,管的宽长比。,转移特性,当 时,（3） N E MOS场效应管的伏安特性式中：UGS（th）,12,主要特点：,(a),当,u,GS,U,GSth,时，,i,D,0,，,u,GS,越大，,i,D,也随之增大，,二者符合平方律关系。,输出特性,N E MOSFET,的输出特性,主要特点： 输出特性,13,它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：,(A),截止区,：,U,GS,U,GSth,，导电沟道未形成，,i,D,=0,。,(B),可变电阻区,(a),u,DS,较小，沟道尚未夹断；,(b),u,DS,u,GS,|,U,GS(th),|,(c),沟道,相当于受,u,GS,控制的,电阻,压控电阻，表现为,i,D,u,DS,曲线的斜率变化 。,它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和,14,(C),恒流区,(,饱和区、放大区,),(a),沟道预夹断；,(c),i,D,几乎与,u,DS,无关；即,u,DS,对,i,D,的控制能力很弱。,(b),u,DS,u,GS,|,U,GS(th),|,；,预夹断后的情况：,预夹断后，,u,DS,增大部分降在夹断区，对沟道无影响。,(C)恒流区 (饱和区、放大区)(a) 沟道预夹断；(c),15,(d),i,D,只受,u,GS,的控制；即,u,GS,对,i,D,的控制能力很强。电流方程为：,式中 是 时的电流 。,N沟道EMOS场效应管的伏安特性曲线,(d) iD只受uGS的控制；即uGS对iD的控制能力很强,16,击穿区,近漏区,PN,结反偏电压 ，达到一定值 时,PN,结击穿， 。,越小,击穿点左移。,击穿区越小击穿点左移。,17,P,沟道增强型（,E,）,MOS,，原理同,NEMOS,，区别在于：,（,a,）结构 （,b,）电路符号,P沟道增强型（E）MOS，原理同NEMOS，,18,P沟道EMOS场效应管的伏安特性曲线,电流方程,P沟道EMOS场效应管的伏安特性曲线 电流方,19,2,、耗尽型,(D)MOS,场效应管的工作原理及伏安特性,（,1,）,N D,MOSFET,的结构及电路符号,（,a,）结构图 （,b,）电路符号,在,Sio,2,绝缘层中加入金属正离子，使即便 ，仍有导电沟道。,2、耗尽型(D)MOS场效应管的工作原理及伏安特性（1）N,20,（,2,）,N D,MOS,场效应管的简单工作原理,、 对沟道的控制作用与,NEMOS,基本相同。差别在于,由于 仍有导电沟道，只要在漏源之间加上正向电压，就会产生漏极电流。,当 时， 沟道中的自由电子增多，沟道变宽，在 作用下，漏极电流 增大。,当 时， 沟道中的自由电子减少，耗尽层变宽，沟道变窄，漏极电流 减少。,（2）N D MOS场效应管的简单工作原理 、,21,常将沟道夹断时的栅源电压 称为夹断电压，用 表示。式 为沟道消失的条件。,当该负电压达到某一值时，沟道中的自由电子消失，耗尽层扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即便有 ，也不会有漏极电流 。,N,沟道,DMOS,场效应管可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅极电流，这是,DMOS,场效应管的重要特点之一。,常将沟道夹断时的栅源电压 称为夹断电,22,（,3,）,N D,MOS,场效应管的伏安特性,N,沟道,DMOS,场效应管在恒流区的电流方程,式中 为栅源电压 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。,可变电阻区、恒流区、截止区等各区的特点与,NEMOS,相同。,（3）N D MOS场效应管的伏安特性N沟道DMOS场效应管,23,（,1,）,P D,MOSFET,的结构及电路符号,（,a,）结构 （,b,）电路符号,P,沟道,DMOS,场效应管沟道消失的条件为,（1）P D MOSFET 的结构及电路符号 （a）结构,24,P D,MOSFET,的伏安特性曲线,P,沟道,DMOS,场效应管在恒流区的电流方程,P D MOSFET 的伏安特性曲线 P沟道DMOS场效应,25,2.,绝缘栅场效应管的类别和符号,绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,N,沟道,(NMOS),P,沟道,(PMOS),N,沟道,(NMOS),P,沟道,(PMOS),耗尽型,NMOS,耗尽型,PMOS,增强型,NMOS,增强型,PMOS,MOSFET,2.绝缘栅场效应管的类别和符号绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟,26,二、 结型场效应管（,JFET,）的工作原理及伏安特性,JFET,分为,N,沟道,P,沟道,1,、 结型场效应管（,JFET,）的结构及电路符号,二、 结型场效应管（JFET）的工作原理及伏安特性JFET分,27,2,、结型场效应管（,JFET,）的工作原理,以,N,沟道,JFET,为例,(1),.,u,DS,=0,时，,u,GS,对沟道的控制作用,2、结型场效应管（JFET）的工作原理以N沟道JFET为例(,28,(2),当,u,GS,=0,时，,u,DS,对沟道的控制作用,(2)当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用,29,(3),当 时， 对沟道的控制作用,当 时，沟道最宽，在,D,、,S,极间加,为定值，形成多子漂移电流；此时 最大。,源端,电子发源端,源极,S,漏端,电子接收端,漏极,D,当 时，,PN,结反偏， ， ；,PN,结反偏电压,PN,结变厚，沟道变窄，沟道电阻增大,在同样 作用下， 小；,(3)当 时， 对沟道的控制作用 当,30,若 ，,当 时，沟道消失， ；即沟道全夹断。,上述过程体现了 对 的控制作用，电压控制型器件。,为定值， 时，,若 很小，,沿沟道形成电场，,PN,结不均匀。,沟道预夹断。此时,沟道夹断面,略增。,（沟道长度调制效应）,不变，饱和， 。实际上,若 ，当,31,3,、 结型场效应管（,JFET,）的伏安特性,（,1,）转移特性,式中：,-,饱和电流，表示 时的 值；,-,夹断电压， 时为 零。,3、 结型场效应管（JFET）的伏安特性（1）转移特性式中：,32,结论：对于,N,沟道,JFET,，要保证 对 的有效控制，必须满足,（,2,）输出特性,为了增大输入阻抗，不允许出现栅流 ，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，,PN,结一定要反偏，所以在,N,沟道,JFET,中， 必须为负值。,PN,结反偏,结论：对于N沟道JFET，要保证 对 的有效控,33,JFET,的伏安特性曲线,根据特性曲线的各部分特征，同样将其划分为四个区域，截止区、可变电阻区、恒流区、击穿区。,JFET的伏安特性曲线 根据特性曲线的各部分特征，同样,34,d.,只受 的控制，随 的增加而增大。满足,放大区（饱和区、恒流区）,a.,沟道预夹断；,b.,c.,几乎与 无关。,增加， 几乎不变；,对 的控制能力弱。,主要降在夹断区。,d. 只受 的控制，随 的增加而增大。满足放大区（,35,d.,管子相当于受 控制的压控电阻。,c.,变化，沟道电场强度变化， 变化。,可变电阻区,a.,较小；,b.,沟道尚未夹断；,曲线斜率,说明,JFET,的输出电阻,d.管子相当于受 控制的压控电阻。 c.可变电阻区曲,36,截止区,a.,b.,沟道被全夹断；,c.,，管子相当于断开的开关。,击穿区,近漏区,PN,结反偏电压 ，达到一定值 时,PN,结击穿， 。,越负,击穿点左移。,截止区击穿区越负击穿点左移。,37,P,沟道,JFET,的 、 极性相反，工作原理相同，特性相同。,P沟道JFET的 、 极性相反，工作原理相同,38,FET,分类：,绝缘栅场效应管,结型场效应管,增强型,耗尽型,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,小结：,FET分类： 绝缘栅场效,39,分类,电路符号,转移特性,输出特性,JFET,N,沟道,P,沟道,IGFET,N,沟道,E,型,D,型,P,沟道,E,型,D,型,分类电路符号转移特性输出特性JFETN沟道P沟道IGFETN,40,2.6.2,场效应管的主要参数,MOS,场效应管的主要参数,一、直流参数,1. JFET,和耗尽型,MOSFET,的主要参数,(1),饱和漏极电流,I,DSS,（,I,D0,）：,对应,u,GS,=0,时的漏极电流。,(2),夹断电压,U,GS,（,off,）,：当,u,GS,=,U,GS,（,off,）,时，,i,D,=0,，沟道消失。,2.,增强型,MOSFET,的主要参数,开启电压,U,GS,（,th,）,，当,u,GS,u,GS,（,th,）,时，导电沟道才形成，,i,D,0,。,3.,输入电阻,R,GS,输入电阻很大，,JFET 10,8,10,12,MOSFET 10,10,10,15,2.6.2 场效应管的主要参数MOS场效应管的主要参数,41,二、极限参数,场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：,(1),栅源击穿电压,U,(BR)GSO,。,(2),漏源击穿电压,U,(BR)DSO,。,(3),最大功耗,P,DM,：,P,DM,=,I,D,U,DS,二、极限参数,42,三、交流参数,1.,跨导,g,m,：表征,FET,的正向控制能力。,跨导,g,m,的定义为,对增强型,MOSFET,，其电流方程为,对,JFET,和耗尽型,MOS,管，电流方程为,三、交流参数对增强型MOSFET，其电流方程为对JFET和耗,43,2.,输出电阻,恒流区：,很大。,2.输出电阻恒流区：很大。,44,小结：,各种类型,FET,管的符号及特性对比,小结：各种类型FET管的符号及特性对比,45,场效应管与其放大电路课件,46,场效应管与其放大电路课件,47,2.6.3,场效应管的小信号模型,i,D,=,f,(,u,GS,，,u,DS,),i,G,=,0,所以 对,i,D,全微分得到,为跨导,式中,r,ds,为,FET,共源极输出电阻,因为,di,G,=,0,2.6.3 场效应管的小信号模型iD= f (uGS ，u,48,di,G,=,0,即,i,g,=,0,或,或用正弦复数表示为,简化的小信号模型：,diG= 0即ig= 0或或用正弦复数表示为简化的小信号模型,49,作业：,P.154 4.24,思考题：,1.,工作在放大状态的,FET,，其内部,PN,结处在反偏还是正偏状态？为什么？,2.,写出结型场效应管、增强型,MOS,管以及耗尽型,MOS,管的电流（特性）方程。,3.,写出各种场效应管的,g,m,表达式。,4,、画出场效应管的小信号模型。,作业： P.154 4.24 思考题：3. 写出,50,预习,:,1,、,场效应管放大器 （,P.177,182 5.5,节 ）,2,、,P.183,188,5.6,节 多级级联的放大电路,预习:,51,再见,2005-11-13,再见2005-11-13,52,