模拟电子技术基础课件 第3章 场效应管及其放大电路

第2章双极型三极管及其放大电路第3章场效应管及其放大电路3.1结型场效应管3.2绝缘栅型场效应管3.3场效应管的主要参数及特点3.4场效应管放大电路电气与电子工程学院第2章双极型三极管及其放大电路只有一种载流子（多子）参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。第2章双极型三极管及其放大电路3.1.1结型场效应管的结构3.1.2结型场效应管的工作原理电气与电子工程学院3.1结型场效应管3.1.3结型场效应管的特性曲线第2章双极型三极管及其放大电路DSGN符号N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。3.1.1结型场效应管的结构第2章双极型三极管及其放大电路P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS第2章双极型三极管及其放大电路N沟道结型场效应管用改变uGS大小来控制漏极电流iD。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流iD减小，反之，漏极iD电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。3.1.2结型场效应管的工作原理1.uGS对iD的控制作用第2章双极型三极管及其放大电路设uDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。iD=0GDSN型沟道P+P+(a)uGS=0uGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽uGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当uGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UP为负值。iD=0GDSP+P+N型沟道(b)uGS0VGGiD=0GDSP+P+(c)uGS=UPVGG第2章双极型三极管及其放大电路在漏源极间加正向VDD，使uDS0，在栅源间加负VGG，观察uDS变化时耗尽层和漏极ID。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGuDS较小，ID较小。注意：当uDS0时，耗尽层呈现楔形。2.漏源电压uDS对iD的影响第2章双极型三极管及其放大电路GDSP+NISIDP+P+VDDVGGuGD=|UP|,预夹断i趋于饱和GDSISIDP+VDDVGGP+P+（3）预夹断前，iD与uDS基本呈线性关系，预夹断后，iD趋于饱和。(c)(d)(1)改变uGS，改变了PN结中电场，控制了iD，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间PN结反偏，栅极基本不取电流，输入电阻很高；第2章双极型三极管及其放大电路1.输出特性iD=f（uDS）|uGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSuGS=0-4-2-6-8iD/mAuDS/VO|uDS-uGS|=|UGS(off)|可变电阻区：iD与uDS基本上呈线性关系，但不同的uGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD几乎与uDS无关，iD的值受uGS控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：反向偏置的PN结被击穿，iD电流突然增大。夹断电压下页上页首页3.1.3结型场效应管的特性曲线第2章双极型三极管及其放大电路(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUUfIUGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小UGS=UP，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP=UGS(off)(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS特性曲线测试电路+mA2.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP转移特性)0()1(GSP2PGSDSSD时当UUUUII≤≤第2章双极型三极管及其放大电路场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA00.511.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=00.4V0.8V1.2V1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正，N沟道的为负。结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达108以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。在漏极特性上用作图法求转移特性第2章双极型三极管及其放大电路3.2.1N沟道增强型场效应管3.2.2N沟道耗尽型场效应管电气与电子工程学院3.2绝缘栅型场效应管第2章双极型三极管及其放大电路由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第2章双极型三极管及其放大电路1.结构P型衬底N+N+BsgdP衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其他电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。sgdB下页上页首页3.2.1N沟道增强型场效应管衬底引线B源极栅极漏极SiO2第2章双极型三极管及其放大电路绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD2.工作原理第2章双极型三极管及其放大电路(2)UDS=0，0UGSUTP型衬底N+N+BGSdP型衬底中的电子被吸引靠近SiO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。VGG(3)UDS=0，UGS≥UT由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UT=UGS(th)为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。第2章双极型三极管及其放大电路(4)UDS对导电沟道的影响(UGSUT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDSUGS–UT，UGDUT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。a.UDSUGS–UT，即UGD=UGS–UDSUTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BgSdVGGVDD夹断区第2章双极型三极管及其放大电路dP型衬底N+N+BgSVGGVDDP型衬底N+N+BgSdVGGVDDP型衬底N+N+BgSdVGGVDD夹断区UDS对导电沟道的影响(a)UGDUT(b)UGD=UT(c)UGDUT第2章双极型三极管及其放大电路(a)转移特性(b)输出特性ID/mAUDS/VOTGSUU预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区UGSUT，ID=0；UGS≥UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2TGSDOD)1(UUII(当UGSUT)时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO3.特性曲线第2章双极型三极管及其放大电路P型衬底N+N+BgSd++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS0，产生较大的漏极电流；UGS0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS=UGS(off),感应电荷被“耗尽”，ID0。UGS(off)称为夹断电压3.2.2N沟道耗尽型场效应管第2章双极型三极管及其放大电路N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS0；UGS正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUGS(off)(a)转移特性IDSSMOS管的符号SGDBSGDB(b)输出特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=03V1V2V43215101520特性曲线第2章双极型三极管及其放大电路电气与电子工程学院3.3场效应管的主要参数及特点3.3.1场效应管的主要参数3.3.2场效应管的特点及使用注意事项第2章双极型三极管及其放大电路1.直流参数⑴饱和漏极电流IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。⑵夹断电压UGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。下页上页首页3.3.1场效应管的主要参数第2章双极型三极管及其放大电路⑶开启电压UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。⑷直流输入电阻RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。下页上页首页第2章双极型三极管及其放大电路2.交流参数⑴低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。⑵极间电容场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD和CDS。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。DSDmGSuigu常数下页上页首页单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS)第2章双极型三极管及其放大电路3.极限参数⑴漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即pD=iDuDS。⑵漏源击穿电压U（BR)DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS。⑶栅源击穿电压U（BR）GS下页上页首页场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。第2章双极型三极管及其放大电路种类符号转移特性漏极特性结型N沟道N沟道结型P沟道P沟道绝缘栅型N沟道增强型SGDSGD+++oSGDBUGSIDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0VUDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO第2章双极型三极管及其放大电路种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO__o_+_o+第2章双极型三极管及其放大电路1.场效应管是电压控制元件；2.栅极几乎不取电流，输入电阻非常高；3.一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；4.制造工艺简单，有利于大规模集成；5.存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止漏电击穿管子；6.跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。3.3.2场效应管的特点及使用注意事项电气与电子工程学院第2章双极型三极管及其放大电路3.4.1共源极放大电路电气与电子工程学院3.4场效应管放大电路3.4.2分压—自偏压式共源极放大电路3.4.3共漏极放大电路3.4.4三种基本放大电路的性能比较第2章双极型三极管及其放大电路共源极放大电路原理电路VDD+uOiDVT~+uiVGGRgSDGRd与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：TGSDSTGSUuuUu图示电路为N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路。(UT=UGS(t