场效应管及其放大电路3

15.9.1绝缘栅场效应管漏极D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。金属电极(1)N沟道增强型管的结构栅极G源极S1.增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层P型硅衬底高掺杂N区GSD符号：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。漏极D金属电极栅极G源极SSiO2绝缘层P型硅衬底高掺杂N区由于金属栅极和半导体之间的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沟道增强型管的工作原理P型硅衬底N+N+GSD+–UGSUDS+–由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。当栅源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SDEGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–当UGS0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通。当UGSUGS（th）时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来。UGS愈高，导电沟道愈宽。(2)N沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底N+N+GSD+–UGSED+–N型导电沟道当UGSUGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。(2)N沟道增强型管的工作原理N沟道增强型场效应管的工作原理(1)当UGS=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。(2)当0＜UGS＜UGS(th)开启电压时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。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(3)进一步增加UGS，当UGS＞UGS(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时UDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加UGS0G吸引电子反型层导电沟道UGS导电沟道变宽R导电沟道UDS一定时，IDN沟道增强型场效应管的工作原理(3)特性曲线有导电沟道转移特性曲线无导电沟道开启电压UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏极特性曲线恒流区可变电阻区截止区N型衬底P+P+GSD符号：结构(4)P沟道增强型SiO2绝缘层加电压才形成P型导电沟道增强型场效应管只有当UGSUGS(th）时才形成导电沟道。2.耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。(1)N沟道耗尽型管SiO2绝缘层中掺有正离子予埋了N型导电沟道2.耗尽型绝缘栅场效应管由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流ID产生。当UGS0时，使导电沟道变宽，ID增大；当UGS0时，使导电沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID≈0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。(2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线夹断电压耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。UGS(off)转移特性曲线0ID/mAUGS/V-1-2-348121612UDS=常数UDSUGS=0UGS0UGS0漏极特性曲线0ID/mA16201248121648IDSS)0)(())(1(2GSGSGSGSDSSDUoffUoffUUII2.耗尽型绝缘栅场效应管(3)P沟道耗尽型管符号：GSD予埋了P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道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增强型：当UGS＝0时，没有导电沟道，ID＝0。耗尽型：当UGS＝0时，存在导电沟道，ID0。3.场效应管的主要参数(1)开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数(2)夹断电压UGS(off)：(3)饱和漏极电流IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数(4)低频跨导gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力，单位：mA/V或uA/V极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。gsdgsdUGSDmUIuiUIgDSΔΔ场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数20020~mA/V5~1mgrce很高rds很高输出电阻输入电阻421010~较低1471010~较高双极型三极管单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极B—E—CG—S—D15.9.2场效晶体管放大电路场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。1.自给偏压式偏置电路15.9.2场效应管放大电路栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。UGS=–RSIS=–RSID+UDDRSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS+_UGST为N沟道耗尽型场效应管增强型MOS管因正常工作时需UGS0，故不能采用自给偏压式电路。+UDDRSRDRGTIS+_UGS静态分析可以用估算法或图解法(略)估算法：UGS=–RSID2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;由UDS=UDD–ID(RD+RS)解出UDS列出静态时的关系式对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。+_UDSIDIG≈0+UDDRSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS+_UGS例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=–4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。解：用估算法UGS=–1ID2GSD)41(8UIUDS=UDD–ID(RD+RS)=20–2（3+1）=12V列出关系式解出UGS1=–2V、UGS2=–8V、ID1=2mA、ID2=8mA因UGS2UGS(off)故舍去，所求静态解为UGS=–2VID=2mA、2.分压式偏置电路(1)静态分析+–+UDDRSCSC2C1RG1RDRG2RG++–RLuiuo估算法：SDDDG2G1G2GSRIURRRU将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解出UGS、ID;由UDS=UDD–ID(RD+RS)解出UDS.2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII流过RG的电流为零(2)动态分析电压放大倍数)//(LDmioRRgUUAumgIUU/dgsi)(LDdR//RIUoRG1RDRG2RG+–RL+–SDGTOUiUdI交流通路)(LDgsmR//RUg)//(G2G1GiRRRrDORr输入电阻输出电阻RG是为了提高输入电阻ri而设置的。由于晶体管的输出特性具有恒流输出特性，漏源电阻(即场效晶体管的输出电阻)：CDDSdsGSuIUrΔΔrds是很高的，在共源极放大电路中，漏级电阻RD与管子的输出电阻rds并联。UDS－1V－1.5VUGS=－0.5V0ID/mA16201248121648－2V－2.5VN沟道耗尽型场效应管的转移特性DDO//RrRrds放大电路的输出电阻：当rds﹥﹥RD时3.源极输出器+UDDRSC2C1RG1RG2RG+–RLuiuo+–+RG1RSRG2RG+–RL+–SDGTOUiUSI+–gsU交流通路1)//(1)//(LSmLSmioRRgRRgUUAuogsiUUU)(LSSR//RIUo)(LSgsmR//RUg电压放大倍数)//(LSgsmgsRRUgU特点与晶体管的射极输出器一样)//(G2G1GiRRRrsmRgr//)/1(O输入电阻输出电阻例：在图所示的源极输出器中，已知UDD=12VRS=12kΩ,RG1=1MΩ,RG2=500kΩ,RG=1MΩ。试求静态值、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。SmSmiouRg1RgUUA+UDDRSC2C1RG1RG2RG+–uiuo+–+)//(G2G1GiRRRrsmRgr//)/1(O解：用估算法课后作业P90：15.9.1，15.9.2