场效应管及基本放大电路1改.ppt

第第 九九 讲讲第五章教学要求第五章教学要求重点与难点1、了解场效应管（FET）的结构及工作原理，掌握其外特性，在实际应用中正确选择FET的参数；2、掌握FET基本放大电路的静态工作点的设置，掌握共源和共漏基本放大电路的等效电路分析法；3、掌握FET与BJT放大电路各自的特点及其应用场合；4、了解FET放大电路的频率响应。重点：FET的外特性，静态工作点的设置，共源和共漏放大电路的基本分析方法，FET基本放大电路的特点及其应用。难点：绝缘栅型场效应管的工作原理，频率响应。本次课教学要求本次课教学要求1、了解结型场效应管（JFET）的结构及工作原理；2、了解绝缘栅型场效应管（IGFET）的结构及工作原理；3、掌握FET的外特性及参数，在实际应用中正确选择FET；4、了解FET和BJT各自的特点。第第5章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路5.1 场效应管（场效应管（FET）5.2 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路5.1 场效应管（场效应管（FET）5.1.1 结型场效应管结型场效应管5.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管5.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数5.1.4 FET与与BJT的比较的比较BJT靠iB控制iC,发射结正偏，当有Vi时必伴随ib，在某些场合（如测某两点的开路电压）导致较大误差，其原因是BJT的输入电阻低。场效应管的特点：（1）用电（场）压效应来控制电流的单极性器件。（2）输入阻抗高（1091015）。（3）噪声低（栅流约为0）。场效应管的分类场效应管的分类5.1.1 结型场效应管（结型场效应管（JFET）结构及符号 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d）。导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图N沟道沟道P沟道沟道JFET结构演示1、结型场效应管的工作原理（1）栅栅-源电压对导电沟道的影响源电压对导电沟道的影响沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必必须加负电压？须加负电压？UGS（off）1、结型场效应管的工作原理（续）（2）漏漏-源电压对导电沟道的影响源电压对导电沟道的影响uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几几乎仅仅决定于乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）JFET工作原理演示2、结型场效应管的特性曲线（1）转移特性转移特性夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）。为什么必须用转移特性为什么必须用转移特性描述描述uGS对对iD的控制作用？的控制作用？2、结型场效应管的特性曲线（续）（2）输出特性输出特性g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：JFETJFET小结小结综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受u uGSGS控制控制预夹断前预夹断前i iD D与与u uDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。5.1.2 绝缘栅场效应管（IGFETIGFET）分类：分类：增强型增强型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道结构结构 3 3个电极：漏极个电极：漏极D D，源极，源极S S，栅极，栅极G G1 1个衬底引脚（个衬底引脚（B B）。符号：符号：N沟道增强型管沟道增强型管P沟道增强型管沟道增强型管5.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管（IGFET）导电沟道的形成SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启(Metal Oxide Semiconductor FET)MOSFET。通常称为通常称为MOS管管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管结构演示管结构演示1、绝缘栅型场效应管的工作原理（1）栅栅-源电压对导电沟道的影响源电压对导电沟道的影响 当当u uGSGS0V0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排将靠近栅极下方的空穴向下排斥斥耗尽层。耗尽层。当当u uG GS S=0V=0V时，漏源之间相当于两个背靠背的时，漏源之间相当于两个背靠背的 二极管，二极管，在在d d、s s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加再增加u uGSGS纵向电场纵向电场将将P P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P P区表区表面面形成导电沟道，如果此形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形时加有漏源电压，就可以形成漏极电流成漏极电流i id d。栅源电压栅源电压u uGSGS对沟道的影响演示对沟道的影响演示1、绝缘栅型场效应管的工作原理（续）（2）漏漏-源电压对导电沟道的影响源电压对导电沟道的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻漏源电压漏源电压u uDSDS对沟道的影响演示对沟道的影响演示增强型增强型NMOSNMOS管工作原理动画演示管工作原理动画演示2、绝缘栅型场效应管的特性曲线 可根据输出特性曲线作出转可根据输出特性曲线作出转移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：UGS（th）输出特性曲线输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const转移特性曲线转移特性曲线iD=f(uGS)uDS=const输出特性（续）输出特性（续）截止区截止区当当vGSUGS(th)时时，导导电电沟沟道道尚尚未未形形成成，iD0，为为截截止止工工作作状态。状态。输出特性（续）输出特性（续）可变电阻区可变电阻区vDS（vGSVT）由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 23 3、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET特点：与特点：与JFETJFET相似相似 当当u uGSGS=0=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入u uDSDS，就有就有i iD D。当当u uGSGS0 0时，沟道增宽，时，沟道增宽，i iD D进一步增加。进一步增加。当当u uGSGS0 0时，沟道变窄，时，沟道变窄，i iD D减小。减小。不同点：栅压可正可负不同点：栅压可正可负 夹断电压（夹断电压（UGS（off）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压UGSGS。结构：结构：在栅极下方的在栅极下方的SiOSiO2 2层中掺入了大量的金属正离子。层中掺入了大量的金属正离子。所以当所以当u uGSGS=0=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。增强型与耗尽型增强型与耗尽型MOSFETMOSFET比较比较1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压4 4、P P沟道沟道MOSFETMOSFET P P沟道沟道MOSFETMOSFET的工作原理与的工作原理与N N沟道沟道 MOSFETMOSFET完全相同，只不过导电的载流子不完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有型三极管有NPNNPN型和型和PNPPNP型一样。型一样。各类FET特性曲线比较 PP.135-136 图类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP i uDSOuG S0 V1 VD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S0 V1 ViD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S5 ViD3 VuG S UT2 V4 VuGSiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP沟道JFETN沟道增强型N MOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuG S0 ViD2 VuG S UP4 V2 ViD5 VuG S UT3 VO uDS4 VuG S 6 V iD2 VuG S UP4 VO uDS2 VuG S 0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗尽型N MOS增强型P MOS耗尽型P MOS图（续）图（续）5.1.3 5.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 （P137P137）1直流参数直流参数 (1)夹断电压夹断电压UGS(off)(3)饱和漏极电流饱和漏极电流 (2)开启电压开启电压UGS(th)(4)直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间的等效电阻。由于栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有管栅源间有SiO2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015 。对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约为约为106 109。5.1.3 5.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 （续）（续）2交流参数交流参数(1)跨导跨导gm 也称为互导。其定义为也称为互导。其定义为(2)极间电容极间电容栅源电容栅源电容Cgs栅漏电容栅漏电容Cgd漏源电容漏源电容Cdsgm的计算的计算当管子工作在放大区时当管子工作在放大区时得管子的跨导得管子的跨导由由可见，可见，gm与与IDQ有关。有关。IDQ越大，越大，gm也就越大。也就越大。同理，对于增强型同理，对于增强型FET，有，有5.1.3 5.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 （续）（续）3.极限参数极限参数(1)(1)漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDSM=uDSiD该值受管子最高工作温度的限制。(2)最大漏极电流最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流允许的上限值。(3)栅源击穿电压栅源击穿电压U（BR）GS是指栅源间反向电流开始急剧上升时的UGS值。(4)漏源击穿电压漏源击穿电压U（BR）DS是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的UDS值。5.1.4 FET5.1.4 FET的特点及使用注意事项的特点及使用注意事项2 2、使用注意事项、使用注意事项 (1)(1)外加电压极性：外加电压极性：N N沟道沟道 ：U UDS DS 为为+；U UGS GS：增强型及结型：增强型及结型+，耗尽，耗尽型型 -。P P 沟道相反沟道相反 结构对称者，漏极和源极可以互换。结构对称者，漏极和源极可以互换。(2)MOS (2)MOS管一定要注意防感应电压击穿（任何时管一定要注意防感应电压击穿（任何时候注意避免栅极开路）。候注意避免栅极开路）。1 1、特点、特点压控型器件，压控型器件，R Ri i特大，偏置灵活，多子导电，温度稳特大，偏置灵活，多子导电，温度稳定性好，抗辐射，功耗小，可大规模集成。定性好，抗辐射，功耗小，可大规模集成。课外练习课外练习 PP.150151 5.1,（直接做在书本上，不交）（直接做在书本上，不交）END