场效应管工作原理

场效应管放大器绝缘栅场效应管结型场效应管2场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路1场效应管1场效应管BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。FET分类：绝缘栅场效应管结型场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道一.绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管(MetalOxideSemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道1.N沟道增强型MOS管（1）结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。----gsdb符号：----N++NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用---P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N---s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const(单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)△uGSi△DGSu△i△D2.N沟道耗尽型MOSFET特点：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：夹断电压（UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。----g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN++++++++++++----sbgd3、P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。4.MOS管的主要参数（1）开启电压UT（2）夹断电压UP（3）跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const（4）直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。二.结型场效应管1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：g：栅极d：漏极s：源极符号：---p++pd漏极源极s栅极gN---gsdN沟道---gdsP沟道2.结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压uGS，令uDS=0①当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│uGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│uGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压UP——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。Ngds+pVGG+ppsd+gGGNV+pNGGg+sdpVp+（2）漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以导电沟道最宽。①当uDS=0时，iD=0。②uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当uDS↑，使uGD=uGS-uDS=UP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，uDS↑→iD↑。预夹断后，iDS↑→iD几乎不变。④uDS再↑，预夹断点下移。（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用iD=f（uGS、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsdidDDVp+p+sidgVdDDp+p+（1）输出特性曲线：iD=f（uDS）│uGS=常数3、结型场效应三极管的特性曲线sgVdDDdiGGVp+p+u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0VuGS=0VuGS=-1V设：UT=-3V四个区：恒流区的特点：△iD/△uGS=gm≈常数即：△iD=gm△uGS（放大原理）（a）可变电阻区（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。（c）夹断区（截止区）。（d）击穿区。u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区恒流区截止区击穿区（2）转移特性曲线：iD=f（uGS）│uDS=常数uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：4.场效应管的主要参数(1)开启电压UTUT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UPUP是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET,当uGS=0时所对应的漏极电流。（4）输入电阻RGS结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管,RGS可达109～1015Ω。（5）低频跨导gmgm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6）最大漏极功耗PDMPDM=UDSID，与双极型三极管的PCM相当。5.双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移少子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大规模集成一.直流偏置电路保证管子工作在饱和区，输出信号不失真2场效应管放大电路1.自偏压电路UGS=-IDR注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：UGS、ID、UDS2PGSDSSD)1(UUII已知UP，由UGS=-IDR可解出Q点的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：+++——gTRdRRgC1C2uouiVDDCdsID2.分压式自偏压电路SGGSUUURIVRRRDDDg2g1g22PGSDSSD)1(UUII可解出Q点的UGS、ID计算Q点：已知UP，由RIVRRRUDDDg2g1g2GS该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3R二.场效应管的交流小信号模型与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路—交流小信号模型来代替。其中：gmugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。—-++dgsgsuudsid+—++-gsmugsuu-SdsgrdsgdSdi三.场效应管放大电路1.共源放大电路—++C2RuTg3DD1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。（2）求电压放大倍数（3）求输入电阻（4）求输出电阻则)//(g2g1g3iRRRRdoRR+—+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRgsiuu)//(LdgsmosRRugu)//(LdmiouRRguuA（2）电压放大倍数（3）输入电阻)//(LgsmgsiRRuguu)//(LgsmoRRugu)//(1)//(LmLmiouRRgRRguuA得)//(g2g1g3iRRRR分析：（1）画交流小信号等效电路。由12.共漏放大电路+—+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR+Cg3VsTR1DDoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS（4）输出电阻gsmRugiiogsuumo11gRiuR所以由图有m1//gR+—+-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRigsmugRu本章小结1．FET分为JFET和MOSFET两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。2．FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同，主要有自偏压式和分压式两种。3．FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。