第3章场效应管及其基本优秀PPT.ppt

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1、第第3章章 场效应管及其场效应管及其基本基本现在学习的是第1页，共91页31结型场效应管结型场效应管 311结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图31给出了JFET的结构示意图及其表示符号。现在学习的是第2页，共91页 图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号 (a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET 现在学习的是第3页，共91页 N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型区，形成两个PN结，将两个P+区接在一起

2、引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。现在学习的是第4页，共91页 如图32所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所

3、以栅极电流IG0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。现在学习的是第5页，共91页 当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。现在学习的是第6页，共91页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS

4、=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0现在学习的是第7页，共91页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0现在学习的是第8页，共91页图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0现在学习的是第9页，共91页栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道

5、变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断UGS（off）现在学习的是第10页，共91页 312结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线一、转移特性曲线 转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即(31)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即(32)现在学习的是第11页，共91页 式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如图33(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反

6、偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。现在学习的是第12页，共91页图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 现在学习的是第13页，共91页图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线 现在学习的是第14页，共91页 二、输出特性曲线二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS|UGSoff|(33)时，沟道在漏极附近被局部夹

7、断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。现在学习的是第16页，共91页 2.可变电阻区可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区击穿区 随 着 uDS增 大，靠 近 漏 区 的 PN结 反 偏 电 压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。现在学习的是第19页，共91页32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构

8、 如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。现在学习的是第20页，共91页图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 现在学习的是第21页，共91页图 35绝 缘 栅(金 属-氧 化 物-半 导 体)场 效 应 管 结 构 示 意 图 (a)立体图；(b)剖面图 现在学习的是第22页，共91页 322N沟道增强型沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理 如图36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UD

9、S，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。现在学习的是第23页，共91页图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号现在学习的是第24页，共91页图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号现在学习的是第25页，共91页 二、转移特性二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。(34)现在学习的是第26页，共91页 图 3-7 N 沟道增强型MOSFET的转移特性现在学习的是第27页，共91页 式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁

10、移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。现在学习的是第28页，共91页 三、输出特性三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。现在学习的是第29页，共91页 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 现在学习的是第30页，共91页 图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压 现在学习的是第31页，共91页 (2)恒流

11、区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为(35)现在学习的是第32页，共91页 因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。现在学习的是第33页，共91页 图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况现在学习的是第34页，共91页 沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图

12、3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数 来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。(36)现在学习的是第35页，共91页考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS uGSth时，导电沟道才形成，iD0。3.输入电阻输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。现在学习的是第50页，共91页 二、极限参数二、极限参数 场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子

13、就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS现在学习的是第51页，共91页三、交流参数三、交流参数1跨导跨导gm跨导gm的定义为(313)gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为现在学习的是第52页，共91页(314)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增强型MOSFET，其电流方程为现在学习的是第53页，共91页

14、那么，对应工作点Q的gm为(315)式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。2.输出电阻输出电阻r ds 输出电阻rds定义为(316)(317)恒流区的rds可以用下式计算：现在学习的是第54页，共91页 332 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 因为所以(318)(319)以正弦复数值表示，上式可改写为通常rds较大，对Id的影响可以忽略，则现在学习的是第55页，共91页 画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管

15、的还简单。现在学习的是第56页，共91页 图313 场效应管低频小信号简化模型现在学习的是第57页，共91页34 场效应管放大器场效应管放大器 341场效应管偏置电路场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。现在学习的是第58页，共91页 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合

16、偏置方式 现在学习的是第59页，共91页 一、图解法一、图解法 画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为(322)在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。现在学习的是第60页，共91页 图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 现在学习的是第61页，共91页对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(323)画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特

17、别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。现在学习的是第62页，共91页 二、解析法二、解析法 已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：(324a)(324b)将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。现在学习的是第63页，共91页 342场效应管放大器分析场效应管放大器分析 与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大器一、共源放大器 共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316

18、(b)所示。由图(b)可知，放大器输出交流电压 为(325)现在学习的是第64页，共91页图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路现在学习的是第65页，共91页图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路现在学习的是第66页，共91页 式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为 (326)若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：输入电阻：(327)(328)现在学习的是第67页，共91页 图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从

19、仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。现在学习的是第68页，共91页图317基于Workbench平台的FET放大电路的 计算机仿真现在学习的是第69页，共91页 由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为现在学习的是第70页，共91页 例例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。现在学习的是第71页，共91页 图318带电流负反馈的放大

20、电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路现在学习的是第72页，共91页 图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路现在学习的是第73页，共91页解解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：式中：故(329)(330)(331)将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为(332)现在学习的是第74页，共91页 二、共漏放大器二、共漏放大器 共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。1.放大倍数放大倍数Au 式中：故 现在学习的是第75页，共91页图319共漏电路及其等

21、效电路 (a)电路；(b)等效电路现在学习的是第76页，共91页图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路现在学习的是第77页，共91页所以(333)现在学习的是第78页，共91页 2.输出电阻输出电阻Ro 计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路，短路，在输出端加信号 ，求出 ，则 现在学习的是第79页，共91页图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 现在学习的是第80页，共91页图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 现在学习的是第81页，共91页由图可见 式中：所以，输出电阻为 现在学习的是第82页，共91页故 输入电阻(334)共栅电路与共基电路相

22、似，留给读者自行分析。现在学习的是第83页，共91页 343若干问题的讨论若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 我们知道，晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。现在学习的是第84页，共91页晶体管：场效应管：结型场效应管：现在学习的是第85页，共91页 二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工

23、作，温度稳定性会更好。现在学习的是第86页，共91页图321 场效应管的零温度系数点 现在学习的是第87页，共91页 三、关于体效应和背栅跨导三、关于体效应和背栅跨导 前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。现在学习的是第88页，共91页 在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：(340)通常用跨导比来表示gmb的大小：(341)现在学习的是第89页，共91页式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。图322 计入背栅跨导的FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。现在学习的是第90页，共91页现在学习的是第91页，共91页