第5章场效应管ppt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,*,第5章 场效应管（Field Effect Transistor）及其放大器,FET：利用电场效应控制其电流的正向受控器件,特点：工艺简单，占用芯片面积小，输入阻抗高（10,7,以上）,MOS型（金属-氧化物-半导体Metal-Oxide-Semiconductor,FET或MOSFET）,结型（Junction FET，或JFET）,分类,内容:（1）场效应管的工作原理、特性和模型,（,2,）场效应管放大器（直流偏置电路，小信号分析）,第5章 场效应管（Field Effect Tr,1,5.1 MOS场效应管,增强型(Enhancement MOS或EMOS),耗尽型(DepletionMOS或DMOS),N沟道(Channel),P沟道,分类,导电类型,5.1 MOS场效应管N沟道(Channel)分类导电类,2,一、N沟道EMOS场效应管,1、结构,一、N沟道EMOS场效应管,3,2、工作原理,工作条件：PN结必须反偏（含零偏），源极一般与衬底相连，所以V,DS,必须为正值。,工作过程:,(,1)沟道的形成,2、工作原理(1)沟道的形成,4,V,GS,0指向衬底的电场吸引电子,排斥空穴空间电荷(b图),VGS0指向衬底的电场吸引电子,排斥空穴空间电荷,5,V,GS,电子薄层N,+,NN,+,导电沟道(N)(c图),开始形成沟道的V,GS,为开启电压V,GS(th),V,GS,沟道宽度导电能力I,D,VGS 电子薄层N+NN+导电沟道(N)(c,6,(2)V,DS,对沟道的控制 (V,GS,V,GS(th),),V,DS,0(很小),I,D,随V,DS,线性增加,(2)VDS对沟道的控制 (VGSVGS(th),7,V,DS,沿沟道有电位梯度近漏极沟道深度变窄电阻,I,D,上升斜率,I,D,增加缓慢,VDS沿沟道有电位梯度近漏极沟道深度变窄电阻,8,V,DS,V,GD,(V,GD,=V,GS,-V,DS,)V,GD,=V,GS(th),近漏极端的电子层消失沟道预夹断(A),VDSVGD(VGD=VGS-VDS)VGD=VGS,9,V,DS,再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道电压也从此基本恒定下来。所以随V,DS,的增大，I,D,基本恒定，从此进入恒流区。,(3)沟道长度调制效应,V,DS,A点略左移沟道长度电阻I,D,(略),VDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而,10,3.伏安特性,(,共源,),输出特性,它与NPN型晶体三极管共发射极的输出特性相似，它也分为恒流区(饱和区)、可变电阻区(非饱和区)、截止区和击穿区。,1.非饱和区,预夹断前 V,GS,V,GS(th),V,DS,V,GS(th),V,DS,V,GS,-V,GS(th),曲线平坦，,V,GS,对,I,D,控制能力强。,V,DS,对,I,D,的控制能力弱。,2.饱和区(放大区、恒流区）,14,正向受控作用：V,GS,控制,I,D,平方律关系转移特性,转移特性曲线主要特点为：,(1)当,V,GS,V,GS（th）,时，,I,D,0，,V,GS,越大，,I,D,也随之增大，二者符,合平方律关系，,正向受控作用：VGS控制ID平方律关系转移特性转移特性曲线,15,计沟道长度调制效应,计沟道长度调制效应,16,3.截止区：,V,GS,V,GS（th）,，导电沟道未形成，,I,D,=0。,4.击穿区,V,DS,PN结雪崩击穿I,D,V,GS,过大SiO,2,绝缘层的击穿（永久性损坏）,3.截止区：VGSVGS（th），导电沟道未形成，ID=0,17,二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET),1、结构,增强型N沟道MOSFET在,V,GS,=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在,V,GS,=0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO,2,绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，这些正离子的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。,P沟道,N沟道,二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFE,18,2、伏安特性,输出特性曲线（a）和转移特性曲线（b）,2、伏安特性,19,由于,V,GS,=0时就存在原始沟道，所以只要此时,V,DS,0，就有漏极电流。,如果,V,GS,0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流,I,D,将会增大。,反之，若,V,GS,0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，,I,D,减小。,当,V,GS,继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失，,I,D,=0，管子进入截止状态。相应的V,GS,称为夹断电压V,GS(th),。,第5章场效应管ppt课件,20,5.2,结型场效应管,结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。下图给出了JFET的结构示意图及其表示符号。,N沟道,P沟道,源极和漏极是可以互换的。,5.2 结型场效应管 N沟道P沟道源极和漏极是可以互换的,21,一、工作原理（以N沟道为例）,工作条件：PN结反偏（含零偏），V,GS,为负V,DS,为正,1、V,GS,对I,D,的控制,因为栅源电压为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流,I,G,0，这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。,(a),V,GS,=0，沟道最宽，,I,D,最大；,一、工作原理（以N沟道为例）1、VGS对ID的控制,22,(b),V,GS,负压增大，沟道变窄，,I,D,减小；,当栅源负压,V,GS,加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的,V,DS,下，,I,D,变小；,(b)VGS负压增大，沟道变窄，ID减小；当栅源,23,(c),V,GS,负压进一步增大，沟道夹断，,I,D,=0,当|,V,GS,|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，,I,D,将变为零。称此时的栅源电压,V,GS,为“夹断电压”，记为,V,GS（off）,。,JFET最重要的工作原理：,栅源电压,V,GS,的变化，有效地控制漏极电流的变化。,(c)VGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0,24,2、V,DS,对I,D,的控制,（1）V,DS,0（较小）I,D,随V,DS,线性增加,（2）V,DS,沿沟道有电位梯度近漏极反偏电压最大PN结,沟道宽度电阻I,D,增加缓慢 （a）图,2、VDS对ID的控制（1）VDS0（较小）ID随VDS,25,（3）,V,DS,V,DG,靠近漏区的PN结变厚，当,V,G,D,=,V,GS（off）,沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图(b)所示。,（4）,V,DS,再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以,V,DS,的变化对,I,D,影响很小。,预夹断点：,（3）VDSVDG靠近漏区的PN结变厚，当VGD=V,26,二、伏安特性曲线,1.非饱和区（可变电阻区）,当,V,DS,很小，,V,DS,V,GS,-,V,GS（off）,时，即预夹断前如图(a)所示，,V,DS,的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响,I,D,的大小。所以在此区域，随着,V,DS,的增大，,I,D,增大很快。,受V,GS,控制的线性电阻,二、伏安特性曲线1.非饱和区（可变电阻区）受VGS控制的线,27,2.恒流区（饱和区）,恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：,当,V,GSoff,V,GS,0时，,I,D,与,V,GS,符合平方律关系，,V,GS,对,I,D,的控制能力很强。,转移特性和转移特性曲线（图b）,I,DSS,饱和漏电流，表示,V,GS,=0且预夹断时的,I,D,值；,2.恒流区（饱和区）转移特性和转移特性曲线（图b）IDSS,28,3.截止区,当,V,GS,V,GS(off),|时，沟道被全部夹断，,I,D,=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。,4.击穿区,随着,V,DS,增大，靠近漏区的PN结反偏电压,V,DG,(=,V,DS,-,V,GS,)也随之增大，PN结雪崩击穿，I,D,剧增。,3.截止区,29,三、各种类型MOS管的符号及特性对比,下图给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压,V,GS,不同。,三、各种类型MOS管的符号及特性对比,30,各种场效应管的转移特性和输出特性对比,(a)转移特性,各种场效应管的转移特性和输出特性对比,31,(b)输出特性,各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压,V,GS,不同。,(b)输出特性,32,5.3 场效应管放大器,一、偏置电路,零偏压,自偏压,分压式,分压式偏置适用于各种场效应管；自偏置和零偏置不适用增强型MOS管；零偏压电路热稳定性差。,5.3 场效应管放大器零偏压自偏压分压式分压式偏置适用于各种,33,分析方法,用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。,联立求解，解二次方程，有两个根，,舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是求得静态工作点。,分析方法联立求解，解二次方程，有两个根，,34,二、FET小信号模型,二、FET小信号模型,35,求跨导 和输出电阻,求跨导 和输出电阻,36,输出电阻,输出电阻,37,JFET：,JFET：,38,三、共源和共漏放大器的性能,1、共源放大器,三、共源和共漏放大器的性能,39,第5章场效应管ppt课件,40,2、共漏放大器（源极输出器）,2、共漏放大器（源极输出器）,41,第5章场效应管ppt课件,42,