模电课件12第四章场效应管.ppt

双极型晶体管双极型晶体管BJT：输入电阻：输入电阻rbe小，电流控制器件小，电流控制器件 NPNPNP场效应管场效应管输入电阻高、内输入电阻高、内部噪声小、耗电部噪声小、耗电省、热稳定性好、省、热稳定性好、抗辐射能力强、抗辐射能力强、制造工艺简单、制造工艺简单、易于实现集成化、易于实现集成化、工作频率高工作频率高电压控制器件电压控制器件4-1 结型场效应管（结型场效应管（JFET）4-2 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管（MOSFET）4-3 场效应管放大电路场效应管放大电路4-4 MOS模拟集成电路基础模拟集成电路基础场效应管（场效应管（FET）：）：是一种具有是一种具有PN结的有源半导体器件，结的有源半导体器件，利用电场效应来控制输出电流的大小。利用电场效应来控制输出电流的大小。场效应管的特点：场效应管的特点：输入电阻高；输入电阻高；内部噪声小；内部噪声小；功耗低；功耗低；热稳定性及抗辐射能力强；热稳定性及抗辐射能力强；工艺简单、易于集成化。工艺简单、易于集成化。输入端输入端PNPN结一般工作反偏或绝缘状态。结一般工作反偏或绝缘状态。场效应管的分类：场效应管的分类：结型结型FET（JFET）：）：MOSFET（IGFET）：）：N沟道、沟道、P沟道沟道增强型：增强型：耗尽型：耗尽型：N沟道、沟道、P沟道沟道N沟道、沟道、P沟道沟道N N4.1 结型场效应管（结型场效应管（JFET）4.1 结型型场效效应管管一、一、JFET的结构和符号的结构和符号#符号中的箭符号中的箭符号中的箭符号中的箭头头方向表示什么？方向表示什么？方向表示什么？方向表示什么？表示栅结正向偏置时，电流方向是由表示栅结正向偏置时，电流方向是由表示栅结正向偏置时，电流方向是由表示栅结正向偏置时，电流方向是由P P指向指向指向指向N N。P PP P+P P+D DS SGGDGSN N沟道沟道沟道沟道JFET JFET 的结构和符号的结构和符号的结构和符号的结构和符号栅栅栅栅极极极极 漏极漏极漏极漏极 源极源极源极源极 NPNB BIBDGSP P沟道沟道沟道沟道JFETJFETN N+N N+C CE EB BC CE EPNPIBB BC CE EB BC CE E二、二、JFET的工作原理的工作原理N沟道沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压负电压uGS0,N沟道中的多子（电子）沟道中的多子（电子）由由S向向D运动，形成漏运动，形成漏极电流极电流iD。iDiG主要讨论主要讨论uGS对对iD的控制的控制作用以及作用以及uDS对对iD的影响。的影响。电子电子iDuGSuDS输入电阻很高输入电阻很高只有一种类型的多数载只有一种类型的多数载流子参与导电流子参与导电GGN NP P+P P+D DS S1、UGS对对iD对控制作用对控制作用 UDS=0，uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响GGN NP P+P P+D DS SuGS=0导电沟道较宽导电沟道较宽|uGS|=|UGS(off)|uGS|UGS(off)|导电沟道由于耗尽导电沟道由于耗尽层的加宽而变窄。层的加宽而变窄。导电沟道由于耗尽导电沟道由于耗尽层的合拢而被夹断。层的合拢而被夹断。GGN NP P+P P+D DS SUGS(off)夹断电压。夹断电压。当当uGS由零向负由零向负值增大时值增大时 沟道电阻沟道电阻rDS|uGS|当当|uGS|=UGS（off）时，沟道夹断，时，沟道夹断，iD=0。沟道电阻沟道电阻rDS iD夹断电压夹断电压 耗尽层合拢的电压条件耗尽层合拢的电压条件PN结两端电压结两端电压=夹断电压夹断电压UGS(off)GGD DS SN NuDSuGSP P+P P+AA点电压点电压=uDG =UGS(off)=uDS-uGSuDS=uGS-UGS(off)uDS uGS-UGS(off)耗尽层合拢的电压条件耗尽层合拢的电压条件耗尽层耗尽层不不合拢的电压条件合拢的电压条件uGS 夹断电压夹断电压UGS(off)GGD DS SN N uDS对对iD的影响的影响uGS=0；导电沟道较宽；导电沟道较宽；当当uDS较小时较小时(uDS uGS-UGS(off)，iD随随uDS的的增大成正比增大；增大成正比增大；uDSiD0uDS导电沟道由于导电沟道由于DS间的电位梯度呈契形；间的电位梯度呈契形；uDSuDS uGS-UGS(off)GGP P+P P+D DS SN NuDS 夹断区长度夹断区长度 外电压的增量主要降落在夹断区上。外电压的增量主要降落在夹断区上。uDS=uGS-UGS(off)沟道预夹断时，沟道预夹断时，uGS=0uDS=-UGS(off)饱和漏饱和漏电流电流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0rDS大大1k1Vi=1mA4V3ki=1mA1V4VV uDS对对iD的影响的影响GGP P+P P+D DS SN NuDS=uGS-UGS(off)沟道预夹断时，沟道预夹断时，uGS=0uDS=-UGS(off)沟道预夹断后，沟道预夹断后，uDS uGS-UGS(off)uDS 夹断区长度夹断区长度 外电压的增量主要降落在夹断区上。外电压的增量主要降落在夹断区上。iD基本不随基本不随uDS的增加而上升，的增加而上升，iD趋于饱和。趋于饱和。在强电场作用下在强电场作用下PN结雪崩击穿，结雪崩击穿，iD急剧增大。急剧增大。饱和漏饱和漏电流电流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0若若uDS BUDS，。uDS GGD DS SN NuDSuDS uGS-UGS(off)夹断区长度夹断区长度 iD基本不随基本不随uDS的增加而上升，的增加而上升，iD趋于饱和。趋于饱和。uDS在强电场作用下在强电场作用下PN结雪崩击穿，结雪崩击穿，iD急剧增大。急剧增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)综上分析可知：综上分析可知：4.1 结型型场效效应管管1.1.沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所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。以场效应管也称为单极型三极管。|UGS(off)|IDSSuDSiD0uGS=-4VuGS=-8V2.JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此结是反向偏置的，因此iG 0，输入电阻很高。输入电阻很高。3.JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受uGS控制。控制。4.预夹断前预夹断前iD与与uDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。uGSGGN NP P+P P+D DS SiDiG电子电子iDuDSNGGN NN N+N N+D DS SiDiG空穴空穴iDuGSuDSPGGN NP P+P P+D DS S|uGS|UGS(off)|GGN NP P+P P+D DS SUGS(off)夹断电压。夹断电压。|uGS|当当|uGS|=UGS（off）时，沟道夹断，时，沟道夹断，iD=0。沟道电阻沟道电阻rDS iD复习GGD DS SN NuDSuDS uGS-UGS(off)夹断区长度夹断区长度 iD基本不随基本不随uDS的增加而上升，的增加而上升，iD趋于饱和。趋于饱和。uDS在强电场作用下在强电场作用下PN结雪崩击穿，结雪崩击穿，iD急剧增大。急剧增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)4.1 结型型场效效应管管三、三、JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数1.输出特性输出特性 iDuDS0 0 0 0 0-4 4 4 4-1 1 1 1-2 2 2 2-3 3 3 3IDSS可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区 uGSrds恒流区（饱和区）恒流区（饱和区）击穿区击穿区 截止区截止区（全夹断区）（全夹断区）uDS=uGS-UGS(off)uGS可变电阻区可变电阻区GGN NP P+P P+D DS SJFETJFET正正正正常放大作常放大作常放大作常放大作用用用用区域区域区域区域线线性性放放大大区区 BUDSP140 表表41 N沟沟道道JFET各工作区的各工作区的条件条件 uGS UGS(off)uDS uGS-UGS(off)2.转移特性转移特性 0(当当UGS(off)uGS|UGS(off)|（10V）时的漏极电流。时的漏极电流。IDSS是是JFET能输出的能输出的最大电流。最大电流。饱和漏饱和漏电流电流IDSS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off)GGN NP P+P P+D DS S（3）直流输入电阻）直流输入电阻RGS：在漏源间短路的情况下，栅源间加一定的反偏电压时的在漏源间短路的情况下，栅源间加一定的反偏电压时的栅源直流电阻。栅源直流电阻。（4）输出电阻）输出电阻rd：反映了漏源电压对漏极电流的影响。反映了漏源电压对漏极电流的影响。在恒流区，在恒流区，iD随随uDS改变很改变很小，所以小，所以rd的数值很大，在的数值很大，在几十千欧到几百千欧之间。几十千欧到几百千欧之间。GGD DS SN NuGSiDP P+P P+uDS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8V恒恒流流区区（5）低频跨导）低频跨导gm：uDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量的比。电压的微变量的比。反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。GSoffGSGSDSSmduUuIdg12)(-=)()(12offGSoffGSGSDSSUUuI-=（7）最大栅源电压）最大栅源电压BUGS：输入栅源间输入栅源间PN结的反向电流开始急剧增加的结的反向电流开始急剧增加的uGS值。值。（8）最大耗散功率）最大耗散功率PDM：JFET的瞬时耗散功率等于的瞬时耗散功率等于uDS和和iD的乘的乘积，即积，即pDuDSiD（6）最大漏源电压）最大漏源电压BUDS：发生雪崩击穿，发生雪崩击穿，iD开始急剧上升时的开始急剧上升时的uDS值。值。IDSS越负，越负，BUDS越小。越小。1、转移特性曲线：、转移特性曲线：ID=f（UGS）|UDS=常数常数ID(mA)UGS(V)0U UGS(off)GS(off)I IDSSDSS三、特性曲线三、特性曲线2 2、漏极特性曲线：、漏极特性曲线：ID=f（UDS）|UGS=常数常数恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区线线性性放放大大区区 iDuDS0 0 0 0 0-4 4 4 4-1 1 1 1-2 2 2 2-3 3 3 3IDSSuGS BUDS可可变变电电阻阻区区放放大大区区击击穿穿区区线线性性放放大大区区 uCEiC0iB饱饱和和区区 截止区截止区3、漏极特性、转移特性曲线间的联系、漏极特性、转移特性曲线间的联系IDUDS0 0 0-5 5-7 7-2 2-3 3-4 4 -6 -4 -2 0 -6 -4 -2 0U UGSGSI ID DI IDSSDSS恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区线线性性放放大大区区 iDuDS0 0 0 0 0-4 4 4 4-1 1 1 1-2 2 2 2-3 3 3 3IDSSuGS BUDS可可变变电电阻阻区区判断判断N N沟道沟道JFET工作区工作区uGS当当uDSuDS=uGS-UGS(off)uDS uGS-UGS(off)uGSUGS(off)截止区截止区uGS UGS(off)可变电阻区可变电阻区预夹断预夹断恒流区恒流区uDS BUDS击穿区击穿区例例例例4 41 1 设设设设N N沟道沟道沟道沟道JFETJFET的的的的U UGSGS（offoff）=-4V4V，试分析图中，试分析图中，试分析图中，试分析图中的的的的JFETJFET各工作在哪个区各工作在哪个区各工作在哪个区各工作在哪个区?DGS10V10V-5V5VDGS7V7V-3V3V解：图解：图解：图解：图(a)(a)：u uDSDS图图图图(a)(a)u uGSGS=10V=10V为正极性为正极性为正极性为正极性=-5V5V u uGSGS 3V U UGSGS（offoff）所以导电沟道存在。所以导电沟道存在。所以导电沟道存在。所以导电沟道存在。又知又知又知又知u uDSDS=7V=7V，u uGSGS-U UGSGS（offoff）=1V=1V，满足，满足，满足，满足u uDSDS u uGSGS-U UGSGS（offoff）所以漏端的沟道已被部分夹断，所以漏端的沟道已被部分夹断，所以漏端的沟道已被部分夹断，所以漏端的沟道已被部分夹断，图图图图(b)(b)的的的的JFETJFET工作在恒流区工作在恒流区工作在恒流区工作在恒流区(放大区放大区放大区放大区)DGS0.5V0.5V图图图图(c)(c)u uGSGS=0V=0V，满足，满足，满足，满足u uGSGS U UGSGS（offoff），所以导电沟道存在，所以导电沟道存在，所以导电沟道存在，所以导电沟道存在又因为又因为又因为又因为u uDSDS=0=05V5V，u uGSGS -U UGSGS（offoff）=4V=4V，满足，满足，满足，满足u uDSDS 0uGSuGS增大到某一个值时增大到某一个值时 反型层反型层 反型层是反型层是N N型半导体层型半导体层 开启电压开启电压UGS（th）uGS uGS(th)uGS 导电沟道导电沟道 uGB rDS(2)iD和导电沟道随和导电沟道随uGS和和uDS的变化的变化 N+P 型衬底型衬底GBN+SDuGSuDSuGS=常数常数 UGS（th）电位电位 S D低低高高宽宽 窄窄 S D有导电沟道的条件有导电沟道的条件uGD UGS（th）uGD=uGS-uDS UGS（th）uDS uGS-UGS（th）uDS预夹断后预夹断后uDS几乎都降落在几乎都降落在夹断区上，而未夹断沟道中夹断区上，而未夹断沟道中的电压基本维持不变。的电压基本维持不变。iD几乎不变略有增大几乎不变略有增大uDS反向击穿反向击穿SDuDSuGS-uDS uGS(th)N+P 型衬底型衬底GBN+SDuGS导电沟道导电沟道 uGS rDS uDSiD 预夹断曲线预夹断曲线 uDS=uGS-UGS（th）uDS=uGS-UGS(off)uGSiDuDS0 0 0 0 0-4 4 4 4-1 1 1 1-2 2 2 2-3 3 3 3uGS=UGS(off)uGS=UGS(th)4.1 结型型场效效应管管三、三、E型型 N MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线 1.输出特性输出特性 iDuDS0 5 5 5 54 4 4 43 3 3 32 2 2 2可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区 uGSrds恒流区（饱和区）恒流区（饱和区）击穿区击穿区截止区截止区（全夹断区）（全夹断区）uDS=uGS-UGS(th)uGS可变电阻区可变电阻区MOSFET正常放大作用正常放大作用正常放大作用正常放大作用区域区域区域区域线线性性放放大大区区 BUDSuGS UGS(th)uDS uGS-UGS(th)U U U UGSGSGSGS(th)(th)(th)(th)P145 表表42 2.转移特性转移特性 0iDuGSuDSiD0 5 5 5 52 2 2 23 3 3 3uGS=4 4 4 42 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 5 5IDO转移特性曲线转移特性曲线 E型型 N MOSFET0iDuGSIDSSUGS(off)(当当UGS(off)uGS 0)0iDuGSIDOUGS(th)N JFET例例42 一一N沟道增强型沟道增强型MOSFET的的UGS（th）=2V，当当uDS=05V，uGS=3V时，时，iD=lmA，试问该，试问该MOSFET工作在什么区工作在什么区?此时，漏源间的电阻此时，漏源间的电阻RDS=?uGS当当uDSiDuDS0 5 5 5 54 4 4 43 3 3 32 2 2 2可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区uGS线线性性放放大大区区 BUDSU U U UGSGSGSGS(th)(th)(th)(th)uDS=uGS-UGS(th)uDS uGS-UGS(th)uGSUGS(th)截止区截止区uGS UGS(th)可变电阻区可变电阻区预夹断预夹断恒流区恒流区uDS BUDS击穿区击穿区uGS=3V UGS（th）=2V uDS=05V，uGS-UGS（th）=1V满足满足uDS uGS-UGS（th）N沟道沟道MOSFET工作在可变电阻区工作在可变电阻区 作业：作业：P166 4.3二、二、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管1、结构和符号、结构和符号 GDSBN+P 型衬底型衬底GN+SDBuGSuGS 导电沟道导电沟道 UGS(off)夹断电压夹断电压3输出特性曲线输出特性曲线 uDSiD0uGS=0.2VuGS=0.1VuGS=0VuGS=-0.2VuGS=UGS(off)截止区截止区预夹断曲线预夹断曲线 uDS=uGS-UGS（off）N+P 型衬底型衬底GN+SDBuGSuDS2.转移特性转移特性 iDuGS-0.4-0.4-0.4-0.4-0.2-0.2-0.2-0.20 0 0 0 0.20.20.20.2UGS(off)0iDuGSIDOUGS(th)E型型 N MOSFETD型型 N MOSFETP沟道沟道MOSFET，除了外加电压极性和漏极电流，除了外加电压极性和漏极电流方向与方向与N沟道沟道MOSFET相反外工作原理完全相同相反外工作原理完全相同 uGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗尽型耗尽型MOST增强型增强型MOSTuGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗尽型耗尽型MOST增强型增强型MOST(a)N沟道沟道FET(b)P沟道沟道FETGGD DS SN NuDSuGS复习复习1P P+P P+恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区线线性性放放大大区区 iDuDS0 0 0 0 0-4 4 4 4-1 1 1 1-2 2 2 2-3 3 3 3IDSSuGS BUDS可可变变电电阻阻区区I ID D(mA)(mA)U UGSGS(V)(V)0 0U UGS(off)GS(off)I IDSSDSS复习复习2一、一、N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFETN+P 型衬底型衬底GBN+SDuGSuDSiDiDuDS0 5 5 5 54 4 4 43 3 3 32 2 2 2可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区uGS线线性性放放大大区区 BUDSU U U UGSGSGSGS(th)(th)(th)(th)0i iD Du uGSGSIDOUGS(th)