场效应管与其放大电路课件.ppt

《场效应管与其放大电路课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《场效应管与其放大电路课件.ppt（52页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基半导体放大器件及其基本放大电路本放大电路 主主 讲：讲：杨杨 霓霓 清清电电 话：（手机）话：（手机）Email:Email:2005-11-13主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 思考题：思考题：1.1.温度升高时，静态工作点将如何变化？为何会温度升高时，静态工作点将如何变化？为何会产生如此的变化？产生如此的变化？2.2.稳定稳定Q Q点的偏置电路是哪种？点的偏置电路是哪种？3.3.稳定稳定Q Q点的措施有哪些？点的措施有哪些？4.4.单管小信号放大器由几种组态？哪一种组态放单管小信号放大器

2、由几种组态？哪一种组态放大器的功率增益最大，哪种放大器的输入电阻最大，大器的功率增益最大，哪种放大器的输入电阻最大，而输出电阻最小？而输出电阻最小？5.5.用作中间放大级常采用哪种组态的电路？用作中间放大级常采用哪种组态的电路？6.6.为何输入级常采用射极输出器？为何输入级常采用射极输出器？7.7.写出三种组态放大器的电压增益、电流增益、写出三种组态放大器的电压增益、电流增益、输入电阻、输出电阻的表达式。输入电阻、输出电阻的表达式。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.6 2.6 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、绝缘栅场效应管

3、的工作原理及伏安特性二、结型场效应管工作原理及伏安特性2.6.1 场效应管工作原理及伏安特性2.6.2 场效应管的主要参数2.6.3 场效应管的小信号模型2.6.4 场效应管放大器主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 晶体管的主要特点晶体管的主要特点1.1.电流控制型器件。电流控制型器件。2.2.输入电流大，输入电阻小。输入电流大，输入电阻小。3.3.两种极型的载流子都参与导电，又称两种极型的载流子都参与导电，又称为双极型晶体管，简称为双极型晶体管，简称BJTBJT（Bipolar Junction Transistor)。主讲：杨霓清 第二

4、章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 场效应管，简称场效应管，简称FET (Field Effect Transistor)。(a)a)输入电阻高，可达输入电阻高，可达10107 7 10101515M M。(b)(b)起导电作用只有多数载流子，又称为单极型起导电作用只有多数载流子，又称为单极型晶体管。晶体管。(c)(c)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应管的主要特点场效应管的主要特点 场效应管是一种依靠多子的漂移运动形成电流的场效应管是一种依靠多子的漂移运动形成电流的电压控制型器件。电压控制型器件。主讲：杨

5、霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.2.结型场效应管，结型场效应管，简称简称JFET (Junction Field Effect Transistor)。按结构可分为按结构可分为场效应管的类型场效应管的类型1.1.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 简称简称IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor)。按导电沟道分按导电沟道分 1.N 1.N沟道沟道FETFET 2.P 2.P沟道沟道FETFET按导电沟道形成的机理分按导电沟道形成的机理分 增强型（增强型（E型型（Enhancement-Type）

6、FETFET 耗尽型（耗尽型（D D型型(Depletion-Type)）FETFET主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.6.1 2.6.1 场效应管工作原理及伏安特性场效应管工作原理及伏安特性 (P.134 (P.134144 144 第四章第四章4.54.5节节)一一.绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（IGFETIGFET）工作原理及伏安特性）工作原理及伏安特性 在近代大规模、超大规模集成电路中采用的在近代大规模、超大规模集成电路中采用的IGFETIGFET绝大多数是金属绝大多数是金属-氧化物氧化物-半导体结构的场半导体结构的场效

7、应管。（效应管。（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor。简称为。简称为MOSFET）MOSFETMOSFET分为分为N E（Enhancement-Type）MOSP E MOSP E MOSN D(Depletion-Type)MOSP D MOSP D MOS主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（1）N E MOSFET 的结构及电路符号 (a)(a)为立体结构示意图为立体结构示意图 (b)(b)为平面结构示意图为平面结构示意图(c)(c)电路符号电路符号 下面以N沟道MOSF

8、ET为例，讨论E型绝缘栅场效应管的结构、工作原理、伏安特性。1 1、增强型（、增强型（E E）MOSFETMOSFET工作原理及伏安特性工作原理及伏安特性(drain)(gate)(source)主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（2）NEMOS场效应管的导电沟道形成过程及工作原理主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 衬底中的载流子在垂直电场作用衬底中的载流子在垂直电场作用下移动（同性相斥、异性相吸），直下移动（同性相斥、异性相吸），直到到 ，形成反型层，形成反型层，N+区被反型层连在一起

9、，形成导电沟区被反型层连在一起，形成导电沟道。道。此时若此时若 ，（A）当）当 时，无导电沟道，时，无导电沟道，。小结：小结：NEMOS导电沟道的形成及工作原理导电沟道的形成及工作原理（1）的控制作的控制作用用（B）当）当 且且 时，时，主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 （C）当）当 继续增加，继续增加，导电沟道加深，导电能力增强。导电沟道加深，导电能力增强。只要只要 ，增大。增大。（2）的控制作的控制作用用开始PN结沿沟道不均匀分布当沟道预夹断沟道预夹断几乎不变，只是略增几乎不变，只是略增（沟道长度调制效应），（沟道长度调制效应），进入

10、恒流区。进入恒流区。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（3）N E MOS场效应管的伏安特性式中：UGS（th）开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度；W/LMOS管的宽长比。转移特性转移特性当当 时时主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 主要特点：主要特点：(a)当当uGSUGSth时，时，iD 0，uGS越大，越大，iD也随之增大，也随之增大，二者符合平方律关系。二者符合平方律关系。输出特性输出特性 N E MOSFET的输出特性

11、主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：其特点为：(A)(A)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，导电沟道未形成，iD=0。(B)(B)可变电阻区可变电阻区(a)uDS较小，沟道尚未夹断；(b)uDS uGS|UGS(th)|(c)沟道相当于受uGS控制的电阻压控电阻，表现为iDuDS曲线的斜率变化。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路(C)恒流区恒流区 (饱和区、放大区饱和区、放大区)(a

12、)沟道预夹断；(c)iD几乎与uDS无关；即uDS对 iD的控制能力很弱。(b)uDS uGS|UGS(th)|；预夹断后的情况：预夹断后，uDS 增大部分降在夹断区，对沟道无影响。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路(d)iD只受uGS的控制；即uGS对iD的控制能力很强。电流方程为：式中 是 时的电流 。N沟道EMOS场效应管的伏安特性曲线 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 击穿区击穿区 近漏区近漏区PN结反偏电压结反偏电压 ，达到一定值，达到一定值 时时 PN结击穿，结击穿，。越小

13、越小击穿点左移。击穿点左移。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 P沟道增强型（沟道增强型（E）MOS，原理同，原理同NEMOS，区别在于：区别在于：（a）结构 （b）电路符号主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 P沟道EMOS场效应管的伏安特性曲线 电流方程电流方程主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2 2、耗尽型、耗尽型(D)MOS(D)MOS场效应管的工作原理及伏安特性场效应管的工作原理及伏安特性（1 1）N D N D MOSFE

14、T 的结构及电路符号的结构及电路符号 （a）结构图 （b）电路符号在在SioSio2 2绝缘层中加绝缘层中加入金属正离子，使入金属正离子，使即便即便 ，仍有，仍有导电沟道。导电沟道。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（2 2）N D N D MOSMOS场效应管的简单工作原理场效应管的简单工作原理 、对沟道的控制作用与NEMOS基本相同。差别在于 由于由于 仍有导电沟道，只要在漏源仍有导电沟道，只要在漏源之间加上正向电压，就会产生漏极电流。之间加上正向电压，就会产生漏极电流。当当 时，时，沟道中的自沟道中的自由电子增多，沟道变宽，在由电子增

15、多，沟道变宽，在 作用下，漏极电流作用下，漏极电流 增大。增大。当当 时，时，沟道中沟道中的自由电子减少，耗尽层变宽，沟道变窄，漏极电的自由电子减少，耗尽层变宽，沟道变窄，漏极电流流 减少。减少。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 常将沟道夹断时的栅源电压 称为夹断电压，用 表示。式 为沟道消失的条件。当该负电压达到某一值时，沟道中的自由电子消失，耗尽层扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即便有 ，也不会有漏极电流 。N沟道DMOS场效应管可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅极电流，这是DMOS场效应管的重要特点之一。主讲：杨霓清

16、第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（3）N D MOS场效应管的伏安特性N N沟道沟道DMOSDMOS场效应管在恒流区的电流方程场效应管在恒流区的电流方程 式中 为栅源电压 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。可变电阻区、恒流区、截止区等各区的特点与NEMOS相同。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路（1）P D MOSFET 的结构及电路符号 （a）结构 （b）电路符号P P沟道沟道DMOSDMOS场效应管沟道消失的条件为场效应管沟道消失的条件为主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半

17、导体放大器件及其基本放大电路 P D MOSFET 的伏安特性曲线 P P沟道沟道DMOSDMOS场效应管在恒流区的电流方程场效应管在恒流区的电流方程 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.绝缘栅场效应管的类别和符号绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N N沟道沟道(NMOS)(NMOS)P P沟道沟道(PMOS)(PMOS)N N沟道沟道(NMOS)(NMOS)P P沟道沟道(PMOS)(PMOS)耗尽型耗尽型NMOSNMOS耗尽型耗尽型PMOSPMOS增强型增强型NMOSNMOS增强型增强型PMOSPMOSMOSFET

18、主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 二、二、结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）的工作原理及伏安特性）的工作原理及伏安特性JFETJFET分为分为N N沟道沟道P P沟道沟道1 1、结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）的结构及电路符号）的结构及电路符号主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2 2、结型场效应管（、结型场效应管（JFETJFET）的工作原理）的工作原理以以N N沟道沟道JFETJFET为例为例(1)(1).uDS=0时，时，uGS对沟道的控制作用对沟道的控

19、制作用 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路(2)(2)当当uGS =0=0时，时，uDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路(3)(3)当当 时，时，对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当 时，沟道最宽，在时，沟道最宽，在D D、S S极间加极间加为定值，形成多子漂移电流；此时为定值，形成多子漂移电流；此时 最大。最大。源端源端电子发源端电子发源端源极源极S S漏端漏端电子接收端电子接收端漏极漏极D D当当 时，时，PNPN结反偏，结反偏，；PNPN结反偏

20、电压结反偏电压PNPN结变厚，沟道变结变厚，沟道变窄，沟道电阻增大窄，沟道电阻增大在同样在同样 作用下，作用下，小；小；主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 若若 ，当当 时，沟道消失，时，沟道消失，；即沟道全夹断。；即沟道全夹断。上述过程体现了上述过程体现了 对对 的控制作用，电压控制型器件。的控制作用，电压控制型器件。为定值，为定值，时，时，若若 很小，很小，沿沟道形成电场，沿沟道形成电场，PNPN结不均匀。结不均匀。沟道预夹断。此时沟道预夹断。此时沟道夹断面沟道夹断面略增。略增。（沟道长度调制（沟道长度调制效应）效应）不变，饱和，不变，

21、饱和，。实际上。实际上主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 3 3、结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）的伏安特性）的伏安特性（1 1）转移特性）转移特性式中：-饱和电流，表示 时的 值；-夹断电压，时为 零。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 结论：对于结论：对于N N沟道沟道JFETJFET，要保证，要保证 对对 的有效控制，的有效控制，必须满足必须满足（2 2）输出特性）输出特性 为了增大输入阻抗，不允许出现栅流为了增大输入阻抗，不允许出现栅流 ，也为了，也为了使栅源电压对

22、沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PNPN结一定要反偏，所以在结一定要反偏，所以在N N沟道沟道JFETJFET中，中，必须为负值。必须为负值。PN结反偏主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 JFET的伏安特性曲线 根据特性曲线的各部分特征，同样将其划分为四个根据特性曲线的各部分特征，同样将其划分为四个区域，截止区、可变电阻区、恒流区、击穿区。区域，截止区、可变电阻区、恒流区、击穿区。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 d.d.只受只受 的控制

23、，随的控制，随 的增加而增大。满足的增加而增大。满足放大区（饱和区、放大区（饱和区、恒流区）恒流区）a.a.沟道预夹断；沟道预夹断；b.b.c.c.几乎与几乎与 无关。无关。增加，增加，几乎不变；几乎不变；对对 的控制能力弱。的控制能力弱。主要降在夹断区。主要降在夹断区。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 d.d.管子相当于受管子相当于受 控制的压控电阻。控制的压控电阻。c.c.变化，沟道电场强度变化，变化，沟道电场强度变化，变化。变化。可变电阻区可变电阻区 a.较小；较小；b.沟道尚未夹断；沟道尚未夹断；曲线斜率曲线斜率说明说明JFET的

24、输出电阻的输出电阻主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 截止区截止区a.b.沟道被全夹断；沟道被全夹断；c.，管子相，管子相当于断开的开关。当于断开的开关。击穿区击穿区 近漏区近漏区PN结反偏电压结反偏电压 ，达到一定值，达到一定值 时时 PN结击穿，结击穿，。越负越负击穿点左移。击穿点左移。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 P P沟道沟道JFETJFET的的 、极性相反，工作原理极性相反，工作原理相同，特性相同。相同，特性相同。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路

25、半导体放大器件及其基本放大电路 FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道小结：主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 分分类类电电路符号路符号转转移特性移特性输输出特性出特性JFETN沟道沟道P沟道沟道IGFETN沟沟道道E型型D型型P沟沟道道E型型D型型主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.6.2 2.6.2 场效应管的主要参数场效应管的主要参数MOS场效应管的主要参数一、直

26、流参数 1.JFET和耗尽型MOSFET的主要参数 (1)(1)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS（ID0）：）：对应对应uGS=0=0时的漏极电流。时的漏极电流。(2)(2)夹断电压夹断电压UGS（off）：当：当uGS=UGS（off）时，时，iD=0=0，沟道消失。，沟道消失。2.增强型MOSFET的主要参数 开启电压开启电压UGS（th），当，当uGSuGS（th）时，导电沟道才形成，时，导电沟道才形成，i iD D00。3.输入电阻RGS 输入电阻很大，JFET 1081012 MOSFET 10101015主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基

27、本放大电路 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主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 三、交流参数1.跨导gm：表征FET的正向控制能力。跨导跨导g gm m的定义为的定义为 对增强型MOSFET，其电流方程为对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.2.输出电阻输出电

28、阻恒流区：恒流区：很大。很大。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 小结：小结：各种类型各种类型FETFET管的符号及特性对比管的符号及特性对比主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 2.6.3 2.6.3 场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型iD=f(uGS，uDS)iG=0所以所以 对对iD全微分得到全微分得

29、到 为跨导为跨导式中式中rds为为FETFET共源极输出电阻共源极输出电阻因为diG=0主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 diG=0即ig=0或或用正弦复数表示为简化的小信号模型：简化的小信号模型：主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 作业：作业：P.154 4.24 思考题：思考题：1.工作在放大状态的工作在放大状态的FET，其内部，其内部PN结处在反偏还结处在反偏还是正偏状态？为什么？是正偏状态？为什么？2.写出结型场效应管、增强型写出结型场效应管、增强型MOS管以及耗尽型管以及耗尽型MOS管的电流（特性）方程。管的电流（特性）方程。3.写出各种场效应管的写出各种场效应管的gm表达式。表达式。4、画出场效应管的小信号模型。、画出场效应管的小信号模型。主讲：杨霓清 第二章第二章 半导体放大器件及其基本放大电路半导体放大器件及其基本放大电路 预习预习:1 1、场效应管放大器场效应管放大器 （P.177182 5.5节节）2 2、P.183 P.183 188 188 5.6 5.6节节 多级级联的放大电路多级级联的放大电路主讲：杨霓清再见2005-11-13