模拟电子技术8场效应管及放大.

模拟电子技术基础电子教案V2013陈大钦主编华中科技大学电信系邹韬平2013年3月7日2课程内容与学时安排第1章绪论(2h)第2章半导体二极管及其应用电路(4h)第3章半导体三极管及其放大电路基础(15h)第4章多级放大电路及模拟集成电路基础(4h)第5章信号运算电路(5h)第6章负反馈放大电路(6h)第7章信号处理与产生电路(4h)第8章场效应管及其放大电路(4h)48学时第9章功率放大电路第10章集成运算放大器第11章直流电源2个器件BJTFET关键词核心内容1个电路—放大电路三极管集成运放完美的放大电路模拟电子技术重点章介绍放大的基本概念分立元件分立元件电路(放大)构成规律和分析方法核心、基础线索-不断完善放大性能(读图-741)集成运放实现放大的条件集成运放的应用模电的常用功能电路复习、机动(2h)清明、五一(2h)31091012引言8场效应管放大电路(1)问题的引出(2)分类进一步提高Ri，但BJT的Je必须正偏，使rbe(r)较小FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型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）]//)1(//[]//[Lebeb2b1biRRrRRRR反偏的PN结10648场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点8.2结型场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）58.2结型场效应管8.2.1结型场效应管的结构和工作原理8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数2.工作原理1.结构和符号2.主要参数(阅读)1.特性曲线与特性方程JunctionField-EffectTransistor要点：(1)了解JFET(PN结FET)的工作原理和特性(2)特别注意与BJT的异同点6VBBVCCVBEIBICce+b–IERLVCE+–+–I+vBE+iE+iC+iB+–O放大电路vI=20mViB=20AiE=1mAvO=-0.98VRL1kVEEVCCIBIEICVBEecb++vI放大电路共基接法+vBE+iEii+iCiovO++iB=0.984920mVV98.0IOVvvARi=vI/iB=1k4920mVV98.0IOVvvARi=vI/iE=20iC=0.98mA(a)共基极(b)共发射极78.2.1结型场效应管的结构和工作原理(1)结构和符号(2)工作原理vBEvCEiBcebiCvBEvCEiBcebiCNPNcbedsgNdsgNP+P+dsgNP+P+dsgNP+P+导电沟道电阻—长度、宽度、掺杂已知PN结反偏时：空间电荷区(耗尽层)加宽且反偏电压耗尽层问题：如何提高Rib?BJT：Je正偏,使rbe较小(iB0)JFET:希望iB=0,反偏PN结N型导电沟道漏极D(d)源极S(s)栅极G(g)8(2)工作原理(1)结构和符号①VGS对沟道的控制作用(VDS=0)②VDS对沟道的影响(VGS=0)③VGS和VDS同时作用时s源极g栅极d漏极金属铝氧化层P＋型衬底N＋P＋N＋耗尽层N型导电沟道N沟道结型场效应管(a)结构剖面图(b)结构示意图dsgNP+P+8.2.1结型场效应管的结构和工作原理9结论:可变电阻(受vGS控制)耗尽型(沟道被耗尽时为全夹断)(2)工作原理①VGS对沟道的控制作用(VDS=0)gdsP+NP+耗尽层gdsP+NP+gdsP+NP+VGS=0VGS＜0(反偏)VGS=VP耗尽层加厚沟道变窄沟道电阻增大VGS=0沟道最宽沟道电阻最小VGS＜0:随|VGS|VGS=VP(夹断电压)沟道为全夹断vDSiD-2vGS=0V-3vGS=VP8.2.1结型场效应管的结构和工作原理10(2)工作原理②VDS对沟道的影响(VGS=0)gdsP+NP+gdsP+NP+耗尽层gdsP+NP+VDSID影响：由于VGD0，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变得不等宽，呈楔(xiē)形分布。VGD=VP时：在紧靠漏极处出现预夹断。VDS夹断区等比例延长,故ID基本不变(饱和)gdsP+NP+gdsP+NP+VGD=VGSVDSVDS较小时：楔形对沟道电阻影响不大VDS较大时：楔形对沟道影响增大，使沟道电阻，IDvDSiDvGS=0VvDSiDvGS=0VvDSiDvGS=0VvDS(sat)vDSiDvGS=0V饱和区vDS(sat)vDSiDvGS=0V饱和区vDS(sat)VDS(sat)=VGSVP=VP常数dvDSVDSID略有增大，沟道长度调制(枝节问题-251页)8.2.1结型场效应管的结构和工作原理11(2)工作原理gdsP+NP+耗尽层gdsP+NP+gdsP+NP+gdsP+NP+gdsP+NP+gdsP+NP+vDSiDvGS=0VvDSiDvGS=-1VvGS=0VvDSiD-1vGS=0V-2-3vDSiD-1vGS=0V-2-3vGS=VP结论：预夹断后为饱和区，iD不依赖vDS。条件vDSvDS(sat)VDS(sat)=VGSVPvDSiD-1vGS=0V-2-3vGS=VP饱和区预夹断点轨迹VDS(sat)=VGSVP=VP③VGS和VDS同时作用时8.2.1结型场效应管的结构和工作原理12综上分析可知vBEvCEiBcebiCvBEvCEiBcebiCNPNcbedsgNP+P+•耗尽型沟道•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(受vGS控制可变电阻)；•预夹断后,iD趋于饱和。•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的,因此iG0,Ri很高。dgs8.2.1结型场效应管的结构和工作原理•沟道中只有多数载流子参与导电,场效应管也称单极型三极管。13vDSiD-1vGS=0V-2-3vGS=VP饱和区8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数(1)输出特性常数GSDSDv)(vfi(2)转移特性常数DSGSDv)(vfi(1)输入特性常数CE)(BEBvvfi常数B)(CECivfi(2)输出特性vGSgdsiDvDSiG共射#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？共源14(1)输出特性常数GSDSDv)(vfi(2)转移特性常数DSGSDv)(vfivGSgdsiDvDSiGVP)0()1(GSP2PGSDSSDvVVvIiIDSS饱和区理想i-v特性考虑饱和区非零斜率)1()1(DS2PGSDSSDvVvIi饱和区饱和区条件vDSVDS(sat)=vGSVP(预夹断点轨迹)8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数15vGSgdsiDvDSiG#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？不同点：2PGSDSSD)1(VvIi相同点：类似的输出特性，都具有放大作用（恒流）。(1)参变量不同(2)可变电阻区－饱和区BCii饱和区168场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点8.2结型场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）178.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管8.1.1N沟道增强型MOS场效应管8.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管8.1.3P沟道MOS场效应管8.1.4MOS场效应管的主要参数要点：掌握MOS管(1)与JFET的异同(2)沟道？18(1)结构和符号绝缘体沟道栅极g铝电极（Al）二氧化硅绝缘层（SiO2）源极s漏极dLWN＋N＋P型衬底tox铝源极sSiO2绝缘层栅极g漏极d铝铝N＋N＋耗尽层P型硅衬底B衬底引线三层结构：M-O-S绝缘；没有沟道(增强型)尺寸小:L=1m;tox=0.04m(2)基本工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管s源极g栅极d漏极金属铝氧化层P＋型衬底N＋P＋N＋耗尽层N型导电沟道N沟道结型场效应管19(1)结构和符号绝缘体沟道栅极g铝电极（Al）二氧化硅绝缘层（SiO2）源极s漏极dLWN＋N＋P型衬底tox铝源极sSiO2绝缘层栅极g漏极d铝铝N＋N＋耗尽层P型硅衬底B衬底引线三层结构：M-O-S绝缘；没有沟道(增强型)尺寸小:L=1m;tox=0.04m(2)基本工作原理二氧化硅gsdiD＝0铝耗尽层N＋N＋PB衬底引线VDD8.1.1N沟道增强型MOS场效应管20(2)基本工作原理沟道是如何产生的vGS对沟道的控制作用vDS对沟道的影响二氧化硅gsdiD＝0铝耗尽层N＋N＋PB衬底引线VDDVGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线N型(感生)沟道gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线N型(感生)沟道gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线gN＋N＋VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋iG＝0VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋iG＝0VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋vGS=0,无沟道vGS必须0理由(感应沟道)在电场作用下空穴电子的运动vGS吸引电子越多vGS=VT时，形成N型感生沟道(电子)反型层开启(阈值)电压沟道形成后则同JFETvGS沟道加宽8.1.1N沟道增强型MOS场效应管21VGSsdiD0PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VDSVGSsdiD0PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VDSVGSsdiD0PB衬底引线gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋VDS夹断区VGSsdiD＝0耗尽层PB衬底引线N型(感生)沟道gN＋N＋＋＋＋＋＋＋＋＋(2)基本工作原理vDS对沟道的影响(与JFET类似)vDSiDvGS=2VTNvDSiDvGS=2VTNvDSiDvDS(sat)vGS=2VTNvDSiD饱和区vDS(sat)vGS=2VTNvDSiDvGS=2VTN饱和区vDS(sat)沟道不等宽预夹断饱和区预夹断vDS=VDS(sat)VGD=VTN=VGSVDSVDS(sat)=VGSVTN8.1.1N沟道增强型MOS场效应管22(a)输出特性及特性方程(3)特性曲线与特性方程8.1.1N沟道增强型MOS场效应管常数GSDSDv)(vfi①截止区②可变电阻区LWLWKK2C2oxnnn常数GSDDSdsoddvirv)(vTGSn21VK③饱和区（恒流区、放大区）2TGSnD)(VKiv2TGSDO1)v(VIvGSVT，没有导电沟道，iD＝0。DSTGSn2DSDSTGSnD)(2])(2[vvvvvVKVKivGS＞VT，有沟道；但vDS≤(vGSVT)，导电沟道未预夹断。漏源之间可以看