电工学场效应优秀课件.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P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（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 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。特点：输入电阻可达 1010 以上。类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强

2、型场效应管。3第3 页，本讲稿共42 页一、N 沟道增强型 MOS 场效应管 结构P 型衬底N+N+BG S DSiO2 源极 S漏极 D衬底引线 B栅极 G图 N 沟道增强型MOS 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 绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”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(1)UGS=0 漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD5第5 页，本讲稿共42 页(2)UDS=0，0 UGS UGS(th)P 型衬底N+N+BG S D 栅极

3、金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。VGG-(3)UDS=0，UGS UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层-N 型沟道反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。6第6 页，本讲稿共42 页(4)UDS 对导电沟道的影响(UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。可变电阻区b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度

4、，出现预夹断。预夹断c.UDS UGS UT，UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，增大部分全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，iD因而基本不变。恒流区a.UDS UTP 型衬底N+N+BG S DVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDD夹断区7第7 页，本讲稿共42 页DP 型衬底N+N+BG SVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDDP 型衬底N+N+BG S DVGGVDD夹断区图 UDS 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uGS就有一个确

5、定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS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(a)转移特性(b)输出特性UGS UT 时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT 2 UTIDOuGS/ViD/mAO图(a)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、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管P 型衬底N+N+BG S D+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，

6、产生较大的漏极电流；UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD 0。UP或UGS(off)称为夹断电压，负值10第10 页，本讲稿共42 页N 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。iD/mAuGS/V O UP(a)转移特性IDSS耗尽型 MOS 管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215 101520N 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MOS管的开启电压UGS(th)0当U

7、GS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP 沟道SGDBP 沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。12第12 页，本讲稿共42 页场效应管的主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压 UP 或UGS(off)3.开启电压 UT 或UGS(th)4.直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。UGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流，为耗尽型场效应管的一个重要

8、参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。13第13 页，本讲稿共42 页二、交流参数1.低频跨导 gm 受控源参数2.极间电容 用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。14第14 页，本讲稿共42 页跨导gmUGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=ID/UGS=（3-2）/（

9、1-0）=1/1=1mA/V UGS ID15第15 页，本讲稿共42 页三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压 U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.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

10、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 页晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子运动输入量 电流输入 电压输入控制电流控制电流源CCCS()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 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受

11、静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成晶体管场效应管19第19 页，本讲稿共42 页 15.9.2 场效应管放大电路1.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流（ID）区。(2)动态:能为交流信号提供通路。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gm=ID/

12、UGS ID=gm UGSid=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+UDDRSui CSC2C1RDRGRLGDSIDUDSIS注：栅极无电流UGSRSISRSIDUDSUDD RDID RSIS=UDD ID(RD+RS)电路中元件作用：RG栅极电阻RS源极电阻RD漏极电阻CS源极旁路电容SE

13、E P82思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。25第25 页，本讲稿共42 页RLuoC2思考：自给偏压共源极放大电路动静态分析。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（ui=0），估算：UDS和 ID。uo+UDD=+20VRSui CSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4VP84 例27第27 页，本讲稿共42 页IG=0直流通道+UDD+20VR1RD

14、RGR2200K51K1M10KRS10KGDSIDUDSIG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=+20VuoRSui CSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10K29第29 页，本讲稿共42 页 动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRLDRL RD=gm UiRL 电压放大倍数负号表示输出输入反相30第30 页，本讲稿共42 页电压放大倍数估算=-1.5（10/10）=-7.5RL=RD/RLR1=200kR2=51kRG=1MRD=10k

15、RS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V31第31 页，本讲稿共42 页ro=RD=10K SGR2R1RGRLDRL RD输入电阻、输出电阻=1+0.2/0.051=1.0407M rirori=RG+R1/R2R1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V32第32 页，本讲稿共42 页5 源极输出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KR1=200kR2=51kRG=1MRD=1

16、0kRS=10kRL=10kgm=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42 页求riri=RG+R1/R2rirogR2R1RGsdRLRS37第37 页，本讲稿共42 页求ro加压求流法=RS1+gm R

17、SrirogR2R1RGsdRLRS38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 MR1=200kR2=51kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=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1

18、0V 三种情况下uo分别为多少伏？图1 图2分析：N沟道增强型MOS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，若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而u0 15-2.2*5 4V但是，uGS 10V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42第42 页，本讲稿共42 页