电工学场效应精.ppt

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1、电工学场效应1第1页，本讲稿共42页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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：2第2页，本讲稿共42页15.9.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半半导导体

2、体场场效应管效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。3第3页，本讲稿共42页一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P 型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 N 沟道增强型沟道增强型MOS

3、 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB4第4页，本讲稿共42页1.工作原理工作原理 绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用 UGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由这些由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种种极极性电压，性电压，总是不导电总是不导电。SBD5第5页，本讲稿共42页(2)UDS=0，0 UGS UT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔

4、形形。漏漏极极形形成电流成电流 ID。可变电阻区可变电阻区b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启启程程度度，出现预夹断。出现预夹断。预夹断预夹断c.UDS UGS UT，UGD UT由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS 逐逐渐渐增增大大时时，增增大大部部分分全全部部用用于于克克服服夹夹断断区区对对漏漏极极电电流流的的阻阻力力，iD因因而而基基本本不不变变。恒恒流区流区a.UDS UTP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区7第7页，本讲稿共42页DP

5、型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图图 UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD。此时，此时，可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。8第8页，本讲稿共42页3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性输出特性UGS UT 时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒流区恒流区(或饱和区或饱和区)、夹断区。、夹断区。UT 2UTIDOu

6、GS/ViD/mAO图图(a)图图(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区 可变电阻区夹断区。UGS增加9第9页，本讲稿共42页二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底N+N+BGSD+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在 P 型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反反型型层层”。即即使使 UGS=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产产生生较较大的漏极电流；大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、零正、负、零均可。均可。i

7、D/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET11第11页，本讲稿共42页三、P沟道MOS管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th)0当当UGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情情况况类似，属于破坏性击穿。类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM16第16页，本讲稿共42页场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输

8、入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。17第17页，本讲稿共42页晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压

9、输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)场效应管与晶体管的比较18第18页，本讲稿共42页噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管19第19页，本讲稿共42页 15.9.2 场效应管放大电路场效应管放

10、大电路1.电路的组成原则及分析方法电路的组成原则及分析方法(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流（流（ID）区。）区。(2)动态动态:能为交流信号提供通路。能为交流信号提供通路。组成原则组成原则静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法分析方法20第20页，本讲稿共42页N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 符号及特性曲线GSDIDUDSUGSGSD21第21页，本讲稿共42页UGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导跨导gm=ID/UGS ID=gm UGSid=

11、gmugsID=gm UGS22第22页，本讲稿共42页2 场效应管的微变等效电路GSDSGDrDSidrDS=UDS/ID 很大，可忽略。23第23页，本讲稿共42页场效应管的微变等效电路压控电流源（VCCS）SGDid流控电流源(CCCS)对照becrbeic=ibib24第24页，本讲稿共42页3 场效应管放大电路uo+UDDRSuiCSC2C1RDRGRLGDSIDUDSIS注：栅极无电流注：栅极无电流UGSRSISRSIDUDSUDD RDID RSIS=UDD ID(RD+RS)电路中元件作用：电路中元件作用：RG栅极电阻栅极电阻RS源极电阻源极电阻RD漏极电阻漏极电阻CS源极旁路

12、电容源极旁路电容SEE P82思思考考：自自给给偏偏压压共共源源极极放放大大电电路路动动静静态态分分析析。25第25页，本讲稿共42页RLuoC2思思考考：自自给给偏偏压压共共源源极极放放大大电电路路动动静静态态分分析析。SEE P8226第26页，本讲稿共42页4 分压式偏置电路静态分析无输入信号时（无输入信号时（ui=0），估），估算：算：UDS和和 ID。uo+UDD=+20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VID

13、SS=0.9mAUGS(off)-4VP84例27第27页，本讲稿共42页IG=0直流通道+UDD+20VR1RDRGR2200K51K1M10KRS10KGDSIDUDSIG计算得：28第28页，本讲稿共42页动态分析微变等效电路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10K29第29页，本讲稿共42页 动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRLDRLRD=gm UiRL 电压放大倍数负号表示输出输入反相负号表示输出输入反相30第30页，本讲稿共4

14、2页电压放大倍数估算=-1.5（10/10）=-7.5RL=RD/RLR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V31第31页，本讲稿共42页ro=RD =10K SGR2R1RGRLDRLRD输入电阻、输出电阻=1+0.2/0.051=1.0407M rirori=RG+R1/R2R1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V32第32页，本讲稿共42页5 源极输出

15、器uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V33第33页，本讲稿共42页静态工作点:计算得：IG=034第34页，本讲稿共42页uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10K微变等效电路：35第35页，本讲稿共42页微变等效电路：Ui=Ugs+UoUo=Id(RS/RL)=gm Ugs RLrirogR2R1RGsdRLRS36第36页，本讲稿共

16、42页求riri=RG+R1/R2rirogR2R1RGsdRLRS37第37页，本讲稿共42页求ro加压求流法加压求流法=RS1+gm RSrirogR2R1RGsdRLRS38第38页，本讲稿共42页ri=RG+R1/R2+UDD +20VuoRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KAu=gm RL1+gm RL=1.5 (10/10)/1+1.5 (10/10)=0.88=RS1+gm RSro=10/(1+1.5 10)=0.625 k 代入数值计算=1+0.2/0.051=1.0407 M R1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10

17、k RL=10k gm=1.5mA/V39第39页，本讲稿共42页例电路如图1所示，其中管子T的输出特性曲线如图2所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？图1图2分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th)4V40第40页，本讲稿共42页解(1)ui为0V，即uGSui0，管子处于夹断状态所以u0 VDD 15V(2)uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V(3)uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而。因而u0 15-2.2*5 4V但是，但是，uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS=uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区41第41页，本讲稿共42页从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为所以输出电压为42第42页，本讲稿共42页