MOS管工作原理讲解

125.3结型场效应管(JFET)5.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管5.2MOSFET放大电路5.5各种放大器件电路性能比较*5.4砷化镓金属-半导体场效应管3掌握场效应管的直流偏置电路及分析；场效应管放大器的微变等效电路分析法。4N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）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：55.1金属－氧化物－半导体（MOS）场效应管MOSFET简称MOS管，它有N沟道和P沟道之分，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型：当vGS＝0时，存在导电沟道，iD0。增强型：当vGS＝0时，没有导电沟道，iD＝0。65.1.1N沟道增强型MOSFET1．结构PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型7N沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道GSD8NPPGSDGSDP沟道增强型9P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道102．工作原理JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。而MOSFET则是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。112．工作原理（以N沟道增强型为例）PNNGSDVDSVGSVGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区12PNNGSDVDSVGSVGS0时VGS足够大时（VGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为开启电压13VGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。PNNGSDVDSVGS14PNNGSDVDSVGS当VDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当VDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。15PNNGSDVDSVGS夹断后，即使VDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDVDS增加，VGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。163．特性曲线（增强型N沟道MOS管）17输出特性曲线3．特性曲线（增强型N沟道MOS管）可变电阻区击穿区IDUDS0UGS=5V4V-3V3V-5V线性放大区18转移特性曲线3．特性曲线（增强型N沟道MOS管）0IDUGSVT在恒流区（线性放大区，即VGS＞VT时有：201PGSDDVvIiID0是vGS=2VT时的iD值。194．参数P210表5.1.1列出了MOSFET的主要参数。205.1.2N沟道耗尽型MOSFET耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0IDUGSVT21输出特性曲线IDUDS0UGS=0UGS0UGS0225.2MOSFET放大电路直流偏置电路静态工作点FET小信号模型动态指标分析三种基本放大电路的性能比较5.2.1FET的直流偏置及静态分析5.2.2FET放大电路的小信号模型分析法231.直流偏置电路5.2.1FET的直流偏置电路及静态分析（1）自偏压电路（2）分压式自偏压电路vGSvGSvGSvGSvGSVGS=-IDRSVGSVGVDDg2g1g2VRRRRID242.静态工作点Q点：VGS、ID、VDSvGS=2PGSDSSD)1(VvIiVDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDS255.2.2FET放大电路的小信号模型分析法1.FET小信号模型（1）低频模型26（2）高频模型1.FET小信号模型272.动态指标分析（1）共源电路及其小信号模型282.动态指标分析中频小信号模型：292.动态指标分析（2）中频电压增益（3）输入电阻（4）输出电阻忽略rDiVgsVRVggsm)1(mgsRgVoVdgsmRVgmVARgRgmdm1//iiRR由输入输出回路得则giiIVR)]//([g2g1g3RRR)]//([)1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr通常则)//(g2g1g3iRRRRdoRRRgrr)1(mgsgsgsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV30例5.2.2共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。（2）中频电压增益（3）输入电阻iVgsV)//(LgsmRRVg)//(1LmgsRRgVoV)//(LgsmRRVgmVA)//(1)//(LmLmRRgRRg得)//(g2g1g3iRRRR解：（1）中频小信号模型由ioVV1例题31（4）输出电阻TIRIgsmVgRVTgsVTVoRm11gR所以由图有TTIVgsmVgm1//gR例题323.三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：beLc)//(rRR)//)(1()//()1(LebeLeRRrRRbeLc)//(rRRCE：CC：CB：)//(LdmRRg)//(1)//(LmLmRRgRRg)//(LdmRRgCS：CD：CG：33beb//rR输出电阻：cR)//)(1(//LebebRRrR1)//(//bebserRRR1//beerRcR3.三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)//(g2g1g3RRRm1//gR)//(g2g1g3RRRCE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1//gRdR345.3结型场效应管结构工作原理输出特性转移特性主要参数5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数35源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号5.3.1JFET的结构和工作原理1.结构???符号中的箭头方向表示什么？362.工作原理①VGS对沟道的控制作用当VGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。VGS继续减小，沟道继续变窄372.工作原理②VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变382.工作原理③VGS和VDS同时作用时当VPVGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的VDS，ID的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP39综上分析可知•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制•预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。405.3.2JFET的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfiVP1.输出特性输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压vDS间的关系，它反映了漏极电压vDS对iD的影响。即可变电阻区:栅源电压越负，漏源间的等效电阻越大，输出特性越倾斜。线性放大区：饱和区，恒流区，FET用作放大电路的工作区。击穿区：栅源间的PN结发生雪崩击穿，管子不能正常工作。41???JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？5.3.2JFET的特性曲线及参数2.转移特性const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSDvVVvIiVP在一定的vDS下，vGS对iD的控制特性。实验表明，在VP≤VGS≤0范围内，即饱和区内，有：vDS=10V42①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：DSGSDmVvig时）（当0)1(2GSPPPGSDSSmvVVVvIg或3.主要参数漏极电流约为零时的VGS值。在vDS=常数时，iD的微变量和vGS的微变量之比。④输出电阻rd：GSDDSdVivr在vGS=0的情况下，当vDS|VP|时的漏极电流。IDSS是JFET所能输出的最大电流。反映了vDS对iD的影响。互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。433.主要参数⑤直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。指输入PN结反向电流开始急剧增加时的vGS值。JFET的耗散功率等于vDS与iD的乘积。PDM受管子最高工作温度的限制。44结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。455.5各种放大器件电路性能比较1．各种FET特性比较2．使用注意事项见P237表5.5.1。见教材P236