模拟电子技术第3章场效应管及其模拟电路12925.pptx

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1、 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、寿命长和省电的特点，件。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、寿命长和省电的特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛造工艺简单等优点，在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为两大类。的应用。根据结构不同，场效应管可以分为两大类。(1)结型场效应管结型场效应管(JFET)(2)金属金属氧化物氧化

2、物半导体场效应管半导体场效应管(MOSFET)利用半导体内的电场效应进行利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件工作，也称为体内场效应器件利用半导体表面的电场效应进行工利用半导体表面的电场效应进行工作，也称为表面场效应器件作，也称为表面场效应器件实际实际N沟道沟道JFET的结构剖面图的结构剖面图图图3-1(b)PJEFT的符号的符号图图3-1(a)NJFET的符号的符号 按导电沟道来分，JFET又分为N沟道和P沟道两种。JFET的符号如图3-1。箭头方向表示PN结正偏时的电流方向。JFET正常工作时，PN结必须反偏或者零偏。在一块N型半导体材料两边扩散出高浓度的P型区，形成两个PN

3、结.两边P+型区引出两个电极并连在一起称为栅极栅极g，在N型本体材料的两端各引出一个电极,分别称为源极源极s和漏极漏极d。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道导电沟道。这种结构成为N沟道型JFET。vGS0vGS0vDS0vDS0栅极电流IG很小，呈现高阻特性3.1.1 N沟道结型场效应管的输出特性曲线沟道结型场效应管的输出特性曲线图图3-2 NJFET的输出特性的输出特性VDSK(a)(b)N沟道结型场效应管的输出特性曲线就是在栅源电压vGS一定时，漏极电流iD 随漏源电压vDS的规律变化，即iD=f(vDS)|vGS=常数。如图3-2(a)，令vGS=0V，D、S之间加直流电压源VDD，调

4、节VDD，使vDS由0V逐渐增大，测出相应的漏极电流iD随漏源电压vDS变化的数据见表3-1。根据表中数据，可得到iD与vDS间的关系曲线如图3-2(b)所示。-+VGG图图3-2 NJFET的输出特性的输出特性VDSK 当vDS较小时，iD随vDS的变化近似于直线关系，即iD与vDS成比例；随着vDS的增大，上升率变缓，当vDS=VDSK（膝点值）后，再继续增大vDS，则iD基本保持不变；当vDS增至某一值时，iD急剧增大，进入击穿状态。改变vGS的值（满足vGS0），重复上述过程，可得到相应的iD=f(vDS)|vGS=常数的曲线，如图3-2(c)所示。(b)(c)图图3-2(c)N沟道沟

5、道JFET的输出特性的输出特性1.夹断电压vGS,off 保持vDS不变（如vDS=10V），将vGS由0变为负值，并使vGS的绝对值增大，则iD减小，输出特性曲线下移；当vGS等于某一值时，iD近似等于零。我们把iD等于零时的栅源电压vGS值称为夹断电压夹断电压，记做vGS,off。有两种方法可以从输出特性曲线观察夹断电压vGS,off的值。其一，观察最接近横轴的那条曲线的vGS值，则vGS,off的值比它更负一些（对NJFET管）；其二，可以观察vGS=0V的那条曲线膝点所对应的横坐标值VDSKVGS,off。VGS,offID2.四个区，即恒流区（放大区）、可变电阻区、截止区和击穿区 图

6、3-2(c)中每条曲线的第一个膝点的连线是可变电阻区与恒流区的分界线，每条曲线的第二个膝点的连线是恒流区与击穿区的分界线。图图3-2(c)N沟道沟道JFET的输出特性的输出特性恒流区可变电阻区截止区击穿区ID3.各个区的基本特征图图3-2(c)N沟道沟道JFET的输出特性的输出特性恒流区：vGS在一定范围内（N沟道JFET，VGS,offvGS|vGS,off|，iD=0时，D、S之间相当于开路。截止区击穿区击穿区：表明PN结反向击穿，电流急剧增大，以至于毁坏JFET。因此，击穿区是禁用的。ID3.1.2 N沟道结型场效应管的转移特性曲线沟道结型场效应管的转移特性曲线转移特性是指vDS一定时，

7、iD随vGS的变化规律，即iD=f(vGS)|vDS=常数3.1.2.1 如何由输出特性曲线画出转移特性曲线 选vDS=常数（如10V），在输出特性（图3-3a）的恒流区做垂直线，可得一组vGS和iD值，画出转移特性曲线如图3-3(b)所示。vDS 取不同的值，转移特性曲线略有差别，只要vDS的取值在恒流区，所得曲线族趋于重合。图图3-3 由输出特性曲线画出转移特性曲线由输出特性曲线画出转移特性曲线图图3-2(a)-+VGG3.1.2.2 转移特性公式 在结型场效应管的恒流区内，漏极电流iD与栅源电压vGS的关系遵从二次函数规律，即 式(3-1)称为JFET的转移特性公式，。式中，IDSS称为

8、栅源短路时的漏极饱和电流，即vGS=0V的那一条输出特性曲线在恒流区所对应的iD值。vGS,off为夹断电压。式(3-1)P沟道沟道JFET的输出特性、转移特性与转移特性公式的输出特性、转移特性与转移特性公式?P沟沟道道JEFTEMOSDMOSN沟沟道道转转移移特特性性JEFTEMOSDMOS转转移移特特性性 对于P沟道的JFET，须要改变相应的电压极性（vDS为负，vGS为正，vGS,off为正）N沟道P沟道vGSvDSVGS,off000000iDIDSS0000vGS0vDS0P PN NN N图图3-1(a)NJFET的符号的符号图图3-1(b)PJEFT的符号的符号vGS0vDS0N

9、 NP PP PP沟道JFET的转移特性公式与N沟道JFET相同。式(3-1)1)n沟道管，由电子导电。2)p沟道管，由空穴导电。按工作方式又可以分为：1)增强型管。栅压为零时不能导电。2)耗尽型管。栅压为零时管子能导电。JFET为耗尽型场效应管。于是出现四种MOSFET:增强型N沟道MOS（E-NMOSFET）耗尽型N沟道MOS（D-NMOSFET）增强型P沟道MOS（E-PMOSFET）耗尽型P沟道MOS（D-PMOSFET）在绝缘型场效应管中，应用最多的是金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。MOSFET从导电沟道的类型上分为：3.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.2.1

10、.1 结构与电路符号1.栅极被一层很薄的SiO2绝缘，使栅极G与衬底（P型区）之间没有电流；从D到S或从S到D有两个方向相反的PN结，使得D到S或S到D不导通，没有初始导电沟道；2.衬底B可以内部与源级S相连，外引三个电极，也可以将B作为第4个电极引出来。3.电路符号中的沟道断开，以表示没有初始导电沟道，属于增强型。箭头方向，表示PN结正偏时电流从B流入，说明衬底相连的是P区，表明是N沟道MOSFET。图图3-4 N沟道沟道MOSFET的结构与电路符号的结构与电路符号3.2.1.2 工作原理 G与S之间加电压vGS，二氧化硅中将产生一个由G指向B的电场。当vGS增大到某一值（开启电压vGS,t

11、h）时，电场将P区中的电子吸引到靠近SiO2的表面附近，使之成为以电子导电为主的感生N型层，将两个N区连通，形成N型导电沟道。因为沟道是静电场感应而生成，也称感生沟道（反型层）感生沟道（反型层）。此时，若D、S之间加电压，将会产生漏极电流iD（源极电流iS=iD）。vGS越大，N沟道越宽，漏极电流就越大。vGS对iD实现了压控作用。iD（或iS）成为压控电流源。图图3-5 增强型增强型NMOS的工作原理的工作原理3.2.2 E-NMOSFET的特性曲线的特性曲线 3.2.2.1 E-NMOSFET的输出特性曲线 E-NMOSFET的输出特性曲线与NJFET输出特性曲线的主要区别区别在于：E-N

12、MOSFET的控制电压vGS为正，而NJFET的控制电压vGS为负；对E-NMOSFET而言，当vGSVGS,th（开启电压），产生感生沟道后才能对iD有控制作用，vGS的下限值为开启电压VGS,th，无上限的严格限制，没有漏极饱和电流IDSS，对NJFET而言，vGS的上限值为0，下限值为夹断电压VGS,off，有漏极饱和电流IDSS。与NJFET相似或相同相似或相同的是分为四个区，即恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。图图3-6(a)E-NMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线N-JFET的输出特性曲线的输出特性曲线图图3-6(b)E-NMOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线 3.2.

13、2.2 E-NMOSFET的转移特性曲线 (1)由输出特性画出转移特性的方法与NJFET相似。E-NMOSFET的转移特性 如图3-6(b)所示。(2)转移特性公式 当vGSvGS,th时，iD与vGS的关系也是二次函数，即 式中，K为沟道系数，单位为mA/V2或A/V2。K的大小由沟道的长、宽和单位面积的栅电容等因素决定。由图3-6(b)可以看出，当vGS=2vGS,th对应的电流值为ID2时，则K=ID2/V2GS,th。式(3-2)ID2VGS,th2VGS,th3.2.3 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 耗尽型与增强型的根本区别在于有无初始的导电沟道。耗尽型有初始导电沟道，即vGS

14、=0V时，已有初始导电沟道的存在；增强型没有初始导电沟道。因此耗尽型有夹断电压VGS,off和栅源短路时的漏极饱和电流IDSS。增强型则有开启电压VGS,th。结型场效应管属于耗尽型场效应管。3.2.3.1 D-NMOSFET的输出特性曲线 因为D-NMOSFET的vGS=0时，有初始沟道，所以vGS可以为正（感生沟道加宽，iD增大），也可以为负（感生沟道变窄，iD减小）。也就是说，耗尽型NMOSFET可以工作于零偏压方式、正偏压方式和负偏压方式。图图3-7 D-NMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线 3.2.3.2 D-NMOSFET的转移特性 如图3-7所示，可由输出特性曲线画出转移特

15、性。可见，转移特性的vGS取值范围比NJFET增加了正向区域。D-NMOSFET的转移特性公式在形式上与JFET的转移公式相同，即式(3-3)式中，VGS,off、IDSS的意义与NJFET相同。不同点在于vGS的取值范围。同样，式(3-3)对D-NMOSFET和D-PMOSFET都适用。只要注意VGS,off的正、负值即可（D-NMOSFET：VGS,off为负值；D-PMOSFET：VGS,off为正值）。图图3-7 D-NMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线输输出出特特性性转转移移特特性性NJEFTENMOSDNMOSiD0vDS0 vGS0VGS,off0iD0vDS0 vGS0V

16、GS,th0 IDSS0iD0vDS0 vGS0VGS,off0P沟沟道道JEFTEMOSDMOSN沟沟道道P P沟沟道道JEFTEMOSDMOSN N沟沟道道转移转移特性特性方程方程 3.3.1 FET的主要参数1.耗尽型FET的主要直流参数（包括JFET）VGS,off、IDSS漏极饱和电流IDSS：栅源短路时（即vGS=0V）时的漏极饱和电流。所谓饱和电流是指vDS的变化对iD的影响很小，输出特性曲线进入恒流段的电流值。夹断电压VGS,off：当栅源电压vGS等于夹断电压时，漏极（或源级）电流减小到近似等于零。在输出特性和转移特性曲线图中可以确定VGS,off的近似值。2.增强型MOSF

17、ET的主要直流参数开启电压VGS,th：当|vGS|VGS,th|时，感生沟道产生，开始有漏极电流iD。沟道系数K由生产厂家来提供，也可以自行测量。当vGS=2VGS,th时的漏极电流iD用ID2表示。根据转移特性方程可得，ID2=K(VGS,th)2，故K=IDS/V2GS,th。3.直流输入电阻RGS。JFET的直流输入电阻RGS在1081012 之间；MOSFET的直流输入电阻RGS在10101015之间，通常可认为RGS。3.3.1.1 直流参数栅源击穿电压VBR,GSO：漏极开路时，栅极与源极之间的击穿电压。对于JFET而言，该参数为PN结反向击穿电压，对于MOSFET而言，该参数为

18、SiO2绝缘层被击穿时的栅源电压。漏源击穿电压VBR,DSO：栅极开路时，值，即PDM=(iDvDS)max=常数。漏极与源极之间的击穿电压。漏极最大功耗PDM：场效应管所能允许的漏源电压与漏极电流乘积的最大 3.3.1.2 极限参数 3.4.1 FET的直流偏置电路 FET的直流偏置电路是设置FET直流工作点直流电路。常用的直流偏置电路有两种，即自给偏压式偏置电路和分压式偏置电路，如图3-10所示。图图3-10 FET的直流偏置电路的直流偏置电路(a)(a)(b)(b)(c)(c)图3-10(a)给出了N沟道自给偏压式偏置电路。对P沟道FET，只要将电源VDD的极性反过来即可。须指出，自给偏

19、压式偏置电路只适用于耗尽型FET，即有初始导电沟的FET。(a)自给偏压式偏置电路的特点是：由漏极电流ID自动生成负值的栅源电压。源极电位 VS=ISRS=IDRSgsd 栅极电流很小 栅极电位 VG=0 VGS=VG-VS=0-IDRS=-IDRSN沟道P沟道VDD0VGS0VDD0 分压式偏置电路可以由RG1和RG2分压设置栅极直流电位。(c)源极电位 VS=IDRSgsd 栅极电位 可见，VGS可正、可负，当第一项大于第二项时，VGS为正，若VGSVGS,th，则可应用于N沟道增强型。对N沟道耗尽型MOS管，VGS可正、可负，也可以为零，因此分压式偏置电路适用于所有FET。对于P沟道FET，只要把VDD极性反过来即可。(3-7)(a)gsd 3.4.1.2 FET直流工作点的解法(3-8)(3-9)(3-10)根据耗尽型场效应管的转移特性公式有(3-1)(3-3)谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH