《场效应管放大器》PPT课件.ppt

第5章场效应管及其基本放大电路,5.1场效应管,1.特点:,(1)导电能力由电压控制的半导体器件。,(2)仅靠多数载流子导电,又称单极型晶体管。,(3)体积小、耗电少、寿命长等优点，,(4)输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。,(5)广泛用于大规模及超大规模集成电路。,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）,2.场效应管分类：,N,基底：N型半导体,两边是P区,G栅极,S源极,D漏极,结构:,导电沟道,PN结,5.1.1结型场效应管:,P沟道结型场效应管,N沟道结型场效应管,符号：,二、工作原理（以N沟道为例）,当UDS=0V时：,*若加入UGS0,PN结反偏，耗尽层变厚,*若UGS=0,沟道较宽，沟道电阻小,沟道变窄，沟道电阻增大,*若UGS=VP（夹断电压）时,沟道夹断，沟道电阻很大,|UGS|越大,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,但当|UGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,沟道夹断时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。,加入UGS使沟道变窄，该类型效应管称为耗尽型,漏源电压VDS对iD的影响,当VDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长。,*在栅源间加电压VGS，漏源间加电压VDS。,由于漏源间有一电位梯度VDS,上端（漏端）VGD=VGS-VDS即|VGD|=|VGS|+|VDS|,下端（源端）VGD=VGS,使沟道呈楔形,耗尽层上下量端受的反偏电压不同,沟道夹断前，iD与vDS近似呈线性关系。,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断点。,随VDS增大，这种不均匀性越明显。,电阻增大，使VDS增加不能使漏极也增大，漏极电流iD趋于饱和。,4.1.2伏安特性曲线及参数,特点:(1)当vGS为定值时,管子的漏源间呈线性电阻，且其阻值受vGS控制，（iD是vDS的线性函数）。（2）管压降vDS很小。,用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。,条件：源端与漏端沟道都不夹断,（1）可变电阻区,1、输出特性曲线：,（动画2-6）,用途:可做放大器和恒流源。,（2）恒流区：(又称饱和区或放大区）,(2)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响。,特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流,（3）夹断区：,用途：做无触点的、接通状态的电子开关。,条件：整个沟道都夹断,（4）击穿区,当漏源电压增大到时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD剧增的区域。其值一般为（2050）V之间。由于VGD=VGS-VDS,故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。,特点：,2、转移特性曲线,输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制,结型场效应管的特性小结,5.1金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductor)MOSFET,N沟道P沟道增强型,N沟道P沟道耗尽型,增强型(N沟道、P沟道),VGS=0时无导电沟道，iD=0,耗尽型(N沟道、P沟道)，VGS=0时已有导电沟道。,类型及其符号:,5.1.1N沟道增强型绝缘栅场效应管NMOS,漏极D,1、结构,栅极G,源极S,金属栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014。,绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,2、N沟道增强型MOS场效应管的工作原理,（1）.栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。,当0VGSVT(开启电压)时，,通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。,N沟道增强型场效应管的工作原理,的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压VDS，就能产生漏极电流ID，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样VDS电压作用下，ID越大。这样，就实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制。,当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称为反型层。形成N源区到N漏区,ID,2.漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,A,当VGSVT且固定为某值的情况下：,加正电压VDS，则形成漏极电流ID,当ID从DS流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。,S端电压最大(为VGS)，感生的沟道最宽；D端电压最小（为VGD=VGS-VDS）感生的沟道窄；沟道呈锥形分布。,当VGD=VT，即VGS-VDS=VT时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。,当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，预夹断。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。电阻增大，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，ID基本不随VDS增加而变化。,MOSFET的特性曲线,1.漏极输出特性曲线,V-I特性表达式不做要求,2.转移特性曲线VGS对ID的控制特性,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V，称gm为跨导。,ID=f(VGS)VDS=常数,gm=ID/VGSQ（mS),增强型MOS管特性小结,耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小ID逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS值为夹断电压VP。,耗尽型MOSFET的特性曲线,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,场效应三极管的参数和型号,一、场效应三极管的参数1.开启电压VT开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,2.夹断电压VP夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。,4.输入电阻RGS,结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,5.低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,6.最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。,场效应管与晶体管的比较,类型NPN和PNPN沟道和P沟道,放大参数,耗尽型,G、S之间加一定电压才形成导电沟道,在制造时就具有原始导电沟道,4.4场效应管放大电路,4.4.1直流偏置电路及静态分析,(1)自偏压电路:,仅适用于耗尽型场效应管，VGS=0时，沟道已存在。加VDD后,VS=IDR。,(2)分压式偏压电路,直流通道,由：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)及VS=IDR,2、静态工作点的确定：,4.4.2小信号模型分析法,低频模型,高频模型,跨导,漏极输出电阻,1.小信号模型,2.用小信号模型进行交流分析,小信号等效电路,（1）电压放大倍数,(2)输入电阻,(3)输出电阻,一、静态分析,USUG,UDS=UDD-US=20-5=15V,例4.4.2源极输出器,二、动态分析,输入电阻ri,输出电阻ro,加压求流法,