【教学课件】第3章场效应管及其基本放大电路.ppt

模 拟 电 子 技 术第三章场效应管第三章场效应管 引言引言3.1 结型场效应管结型场效应管3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数3.2 MOS 场效应管场效应管3.5 场效应管电路小信号等效电路分析法场效应管电路小信号等效电路分析法3.4 场效应管放大电路的组态场效应管放大电路的组态模 拟 电 子 技 术引引 言言场效应管场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型：类型：结型结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)模 拟 电 子 技 术特点：特点：1.单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低体积小、成本低2.输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 )模 拟 电 子 技 术3.1 结型场效应管结型场效应管1.结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET模 拟 电 子 技 术2.工作原理工作原理(1)UGS对对ID的控制作用的控制作用(UDS =0)当当UDS =0 时，随着GS两极间电压的改变，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，沟道电阻值也改变，从而实现栅源电压对导电沟道的控制作用。模 拟 电 子 技 术2.UDS对对ID的影响的影响（UGS=0）3.UDS和和UGS共同作用共同作用uGS 0，uDS 0 此时此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。模 拟 电 子 技 术综上所述：导电沟道预夹断前，UDS增大iD增大，漏源间呈现电阻特性。但UGS不同，对应的电阻不同，此时场效应管可以看成受UGS控制的可变电阻。导电沟道预夹断后，UDS增大iD几乎不变。但随着UGS增大，iD减小，对应不同的UGS，iD不同。即iD几乎仅仅决定于UGS，而与UDS无关。此时场效应管可以看成受UGS控制的电流源。模 拟 电 子 技 术3.转移特性和输出特性转移特性和输出特性UGS(off)当当 UGS(off)uGS 0 时时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO模 拟 电 子 技 术3.2 MOS 场效应管场效应管MOS 场场效应管效应管（绝缘栅（绝缘栅场效应管场效应管）N沟道绝缘栅场效沟道绝缘栅场效应管应管P沟道绝缘栅场效沟道绝缘栅场效应管应管增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型模 拟 电 子 技 术结结型型场场效效应应管管的的不不足足之之处处：结结型型场场效效应应管管是是利利用用PN结结反反向向电电压压对对耗耗尽尽层层厚厚度度的的控控制制，来来改改变变导导电电沟沟道道的的宽宽窄窄，从从而而控控制制漏漏极极电电流流的的大大小小。其其直直流流输输入入电电阻阻已已达达107。但但这这一一电电阻阻实实质质上上是是PN结结的的反反偏偏电电阻阻。在在反反向向 偏偏置置下下，PN结结还还存存在在着着反反向向饱饱和和电电流流，因因此此限限制制了了输输入入电电阻阻的的进进一一步步提提高高。尤尤其其是是温温度度增增高高时时，反反向向饱饱和和电电流流增增大大，输入电阻将下降。输入电阻将下降。绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构模 拟 电 子 技 术绝缘栅场效应管的栅极与沟道间处于绝缘状态。它利用栅源绝缘栅场效应管的栅极与沟道间处于绝缘状态。它利用栅源电压的大小，改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制电压的大小，改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制ID的大小的大小 ，其输入电阻更高，可达，其输入电阻更高，可达10121015。MOS管是绝缘栅场效应管的一种，也是应用最广泛的一种，管是绝缘栅场效应管的一种，也是应用最广泛的一种，除除MOS外，还有以氮化硅为绝缘层的外，还有以氮化硅为绝缘层的MNS管，以氧化铝为绝管，以氧化铝为绝缘层的缘层的MALS。它们的区别仅在于半导体表面的绝缘层所用。它们的区别仅在于半导体表面的绝缘层所用的物质不同。的物质不同。耗尽型耗尽型当当UGS=0时，管内已建立沟道，只要时，管内已建立沟道，只要D、S间加上间加上电压，电压，ID0。加上适当极性的。加上适当极性的UGS，ID就逐渐减小。就逐渐减小。增强型增强型当当UGS=0时，管内尚无导电沟道，这时即使有漏时，管内尚无导电沟道，这时即使有漏源电压也无漏极电流，即源电压也无漏极电流，即ID=0。只有当。只有当UGS具有一定的极性具有一定的极性且达到一定数值后，才开始有且达到一定数值后，才开始有ID存在。存在。模 拟 电 子 技 术一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFETEnhancement NMOSFET(Mental Oxide Semi FET)1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 剖面图 模 拟 电 子 技 术绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 立体图模 拟 电 子 技 术2.工作原理工作原理反型层反型层(沟道沟道)如图所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。模 拟 电 子 技 术1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)a.当当 UGS=0，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b.当当 0 UGS UGS(TH)以后，由于以后，由于UDS的作用，沿沟道产生了电位梯度，的作用，沿沟道产生了电位梯度，使靠近漏极附近的电压使靠近漏极附近的电压UGD（=UGS-UDS）小于源极附近的电压）小于源极附近的电压UGS，漏极附近的电场减弱，反型层变薄，使沟道变为楔型。，漏极附近的电场减弱，反型层变薄，使沟道变为楔型。c）UDS继续增大，夹断区朝源极方向继续增大，夹断区朝源极方向延伸，而延伸，而ID则趋于饱和。则趋于饱和。UDS对导电沟道的影响a）若若UDS较小，沟道形状变化不大，较小，沟道形状变化不大，ID将随将随UDS的增大而线性增大；的增大而线性增大；b）若若UDS继续增大，漏极附近的沟道继续增大，漏极附近的沟道将进一步变薄。直至将进一步变薄。直至UGDUGS（TH）时，沟道在漏极附近将被夹断。时，沟道在漏极附近将被夹断。模 拟 电 子 技 术uDS 对对 iD的影响的影响(uGS UGS(th)DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形，uDS，靠靠近近漏漏极极端端的的沟沟道道厚厚度变薄。度变薄。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。模 拟 电 子 技 术 3）预夹断）预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。2）预夹断发生之前：）预夹断发生之前：uDS ，iD。4）预夹断发生之后：）预夹断发生之后：uDS ，iD 不变。不变。UDS和UGS共同作用对导电沟道的影响结论：结论：1）UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响使沟道不使沟道不再平行而是变为楔型。再平行而是变为楔型。模 拟 电 子 技 术3.转移特性曲线转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当当 uGS UGS(th)时：时：uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O模 拟 电 子 技 术4.输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS=109 1015模 拟 电 子 技 术4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO模 拟 电 子 技 术PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM模 拟 电 子 技 术3.4 场效应管放大电路的组态场效应管放大电路的组态三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅特点：特点：输入电阻极高，输入电阻极高，噪声低，热稳定性好噪声低，热稳定性好一、直流偏置电路一、直流偏置电路 1.自给偏压电路自给偏压电路+VDDRDC2CS+uo C1+ui RGRSGSD模 拟 电 子 技 术2.分压式自偏压电路分压式自偏压电路调整电阻的大小，可获得：调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ=0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3模 拟 电 子 技 术例例 3.4 耗尽型耗尽型 N 沟道沟道 MOS 管，管，RG=1 M，RS=2 k，RD=12 k ，VDD=20 V。IDSS=4 mA，UGS(off)=4 V，求，求 iD 。iG=0 uGS=iDRSRDGDSRGRSiD+uO+VDD模 拟 电 子 技 术栅极电阻栅极电阻 RG 的作用：的作用：(1)为栅偏压提供通路为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷泻放栅极积累电荷源极电阻源极电阻 RS 的作用：的作用：提供负栅偏压提供负栅偏压漏极电阻漏极电阻 RD 的作用：的作用：把把 iD 的变化变为的变化变为 uDS 的变化的变化UGSQ=UGQ USQ=IDQRS模 拟 电 子 技 术3.5 场效应管电路小信号等效电路分析法场效应管电路小信号等效电路分析法小信号模型小信号模型rgs Sidgmugs+ugs+uds GD从输入端口看入，相当于电阻从输入端口看入，相当于电阻从输入端口看入，相当于电阻从输入端口看入，相当于电阻 r rgsgs()。从输出端口看入为受从输出端口看入为受从输出端口看入为受从输出端口看入为受 u ugs gs 控制的电流源。控制的电流源。控制的电流源。控制的电流源。id=gmugs一一、场效应管等效电路分析法、场效应管等效电路分析法模 拟 电 子 技 术例例 gm=0.65 mA/V，ui=20sin t(mV)，求交流输出，求交流输出 uo。+RDGDSRGRSiD+uO+VDDui+VGG交流通路交流通路+RDGDSRGRSid+uOui小信号等效电路小信号等效电路 +ui RSRDSidgmugs+ugs+uo GDRGui=ugs+gmugsRSugs=ui/(1+gmRS)uo=gmui RD/(1+gmRS)=36sin t(mV)模 拟 电 子 技 术二、性能指标分析二、性能指标分析1.共源放大电路共源放大电路有有 CS 时：时：RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+ui RG2GSDRG3RG1+ugs gmugsidii无无 CS 时：时：Ri、Ro 不变不变模 拟 电 子 技 术2.共漏放大电路共漏放大电路RL+VDDC2+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+ui RG2GSDRG3RG1+ugs gmugsiiioRo