MOS管工作原理讲解.ppt

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1、25.3 结型场效应管结型场效应管(JFET)5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管5.2 MOSFET放大电路放大电路5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管3q 掌握场效应管的直流偏置电路及分析；掌握场效应管的直流偏置电路及分析；q 场效应管放大器的微变等效电路分析场效应管放大器的微变等效电路分析法。法。4N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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFE

2、T)场效应管分类：场效应管分类：55.1 金属氧化物半导体金属氧化物半导体 （MOSMOS）场效应管）场效应管MOSFETMOSFET简称简称MOSMOS管，它有管，它有N N沟道和沟道和P P沟道之分，沟道之分，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型：当耗尽型：当vGS0时，存在导电沟道，时，存在导电沟道，iD 0。增强型：当增强型：当vGS0时，没有导电沟道，时，没有导电沟道，iD0。65.1.1 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET1 1结构结构PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属

3、铝GSDN沟道增强型沟道增强型7N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 GSD8NPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型9P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 102 2工作原理工作原理JFET是利用是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。而极电流的大小。而MOSFET则是利用栅源电则是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。少，从而控制漏极电流的大小。

4、112 2工作原理工作原理（以（以N 沟道增强型为例）沟道增强型为例）PNNGSDVDSVGSVGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区12PNNGSDVDSVGSVGS0时时VGS足够大时足够大时（VGSVT）感）感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为开启电压称为开启电压13VGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，VGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDVDSVGS14PNNGSDVDS

5、VGS当当VDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当VDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。15PNNGSDVDSVGS夹断后，即夹断后，即使使VDS 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDVDS增加，增加，VGD=VT 时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。163 3特性曲线（特性曲线（增强型增强型N沟道沟道MOS管管）17输出特性曲线输出特性曲线3 3特性曲线（特性曲线（增强型增强型N沟道沟道MOS管管）可变电可变电阻区阻区击穿区击穿区IDU DS0UGS=5V4V

6、-3V3V-5V线性放线性放大区大区18转移特性曲线转移特性曲线3 3特性曲线（特性曲线（增强型增强型N沟道沟道MOS管管）0IDUGSVT在恒流区（线性在恒流区（线性放大区，即放大区，即VGSVT时有：时有：201 PGSDDVvIiID0是是vGS=2VT时的时的iD值。值。194 4参数参数P P210210表表5.1.15.1.1列出了列出了MOSFETMOSFET的主要参数。的主要参数。205.1.2 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0

7、IDUGSVT21输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS0225.2 MOSFET放大电路放大电路 直流偏置电路直流偏置电路 静态工作点静态工作点 FET小信号模型小信号模型 动态指标分析动态指标分析 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较5.2.1 FET的直流偏置及静态分析的直流偏置及静态分析5.2.2 FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 231. 直流偏置电路直流偏置电路5.2.1 FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自）自偏压电路偏压电路（2）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路vGSvGSvGSvGSvGSV

8、GS = - IDRSV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 242. 静态工作点静态工作点Q点：点： VGS 、 ID 、 VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 VDS 255.2.2 FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1. FET小信号模型小信号模型 （1）低频模型）低频模型26（2）高频模型）高频模型1. FET小信号模型小信号模型 272. 动态指标分析动态指标分析 （1 1）共源电路及其小信号模型）共源电路及其小信号模型28

9、2. 动态指标分析动态指标分析 中频小信号模型：中频小信号模型：292. 动态指标分析动态指标分析 （2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rD iVgsVRVggsm )1(mgsRgV oVdgsmRVg mVARgRgmdm1 /iiRR 由输入输出回路得由输入输出回路得则则giiIVR )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV 30 例例5.2.2 共漏极放大电路如图共漏极放大电

10、路如图示。试求中频电压增益、输入电阻示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。和输出电阻。（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg )/(1LmgsRRgV oV)/(LgsmRRVg mVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得得)/(g2g1g3iRRRR 解：解： （1 1）中频小信号模型）中频小信号模型由由ioVV1 例题例题31（4 4）输出电阻）输出电阻 TIRIgsmVg RVT gsVTV oRm11gR 所以所以由图有由图有TTIVgsmVg m1/gR 例题例题323. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组

11、态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：33beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcR3. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3

12、RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR345.3 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 35 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 362. 工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道

13、的控制作用当当VGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄继续变窄372. 工作原理工作原理 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS ID G、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形

14、分布。 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变382. 工作原理工作原理 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS|V|VP P| |时的漏极电流。时的漏极电流。I IDSSDSS是是JFETJFET所所能输出的最大电流。能输出的最大电流。反映了反映了vDS对对iD的影响。的影响。互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。433. 主要参数主要参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一

15、定电压时的栅源在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻直流电阻就是直流输入电阻R RGSGS。 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、发生雪崩击穿、i iD D开始急剧上升时的开始急剧上升时的v vDSDS值。值。指输入指输入PNPN结反向电流开始急剧增加时的结反向电流开始急剧增加时的v vGSGS值。值。JFETJFET的耗散功率等于的耗散功率等于v vDSDS与与i iD D的乘积。的乘积。P PDMDM受管子最高工作温受管子最高工作温度的限制。度的限制。44 结型场效应

16、管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。455.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较1 1各种各种FETFET特性比较特性比较2 2使用注意事项使用注意事项见见P237P237表表5.5.15.5.1。见教材见教材P236P236