第4章潘场效应管放大器.ppt

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1、第四章 场效应管放大器,导电沟通：从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。,场效应管：场效应晶体三极管是由一种载流子（多子）导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件，具有输入阻抗高，温度稳定性好的特点。,分类：按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。,器件外形：,N,基底：N型半导体,两边是P区,G栅极,S源极,D漏极,一、结构,导电沟道,PN结（耗尽层）,4.1 结型场效应管:,4.1.1 结构和工作原理,符号：,二、工作原理（以N沟道为例）,当 UDS=0 V时：,*若加入UGS 0,PN结反偏，耗尽层变厚,*若UGS=0

2、,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UDS 0V，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,随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点。,当VDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长。电阻增大，使VDS增加不能使漏极也增大，

3、漏极电流 iD 趋于饱和。,*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,使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形，沟道夹断前，iD 与 vDS 近似呈线性关系。,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

4、称饱和区或放大区）,（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（20 50）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,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor)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

5、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:,4.3.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管,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。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。,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。,2、N沟道增强型场效应管的工作原理,（1）.栅源电压VGS的控制作用,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 I D，即管

6、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，I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 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,I D,栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用,2.漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,当VGSVT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从D S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

7、电压分布不均匀。源极端电压最大，为VGS，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏,间电压最小，其值为：VGD=VGS-VDS,由此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。,A,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，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电

8、场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。,增强型MOSFET的工作原理,MOSFET的特性曲线,1.漏极输出特性曲线,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。,

9、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

10、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=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。

11、,场效应管与晶体管的比较,类 型 NPN和PNP N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=ID R。,(2)分压式偏压电路,直流通道,由：VG=VDD Rg2/(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,