模电第五场效应管放大电路PPT教案.pptx

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1、模电第五场效应管放大模电第五场效应管放大(fngd)电路电路第一页，共34页。场效应管场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应晶体三极管场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，与导电的载流子来划分，它有自由电子它有自由电子(z yu(z yu din z)din z)导电的导电的N N沟道沟道器件和空穴导电的器件和空穴导电的P P沟沟道器件。道器件。按照场效应三极管的结构划分(hu fn)，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。1.结构结构(jigu)第1页/共34页第二

2、页，共34页。2.2.工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理 N 沟道PN结N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移(pio y)，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道(u do)场效应管工作时，极性相反，沟道(u do)中的多子为空穴。第2页/共34页第三页，共34页。栅源电压栅源电压VGSVGS对对iDiD的控制的控制(kngzh)(kngzh)作用作用 当当VGSVGS0 0时，时，PNPN结反偏，结反偏，耗尽层变厚，沟道耗尽层变厚，沟道(u u do)do)变窄

3、，沟道变窄，沟道(u do)u do)电阻变大，电阻变大，IDID减小；减小；VGS更负，沟道(u do)更窄，ID更小；直至沟道(u do)被耗尽层全部覆盖，沟道(u do)被夹断，ID0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。第3页/共34页第四页，共34页。漏源电压漏源电压(diny)VDS(diny)VDS对对iDiD的影响的影响 在栅源间加电压(diny)VGSVP，漏源间加电压(diny)VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压(diny)为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压(diny)VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏

4、电压(diny)为-5V，源端耗尽层受反偏电压(diny)为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠(jn ko)漏极处出现预夹断点，随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。第4页/共34页第五页，共34页。JFETJFET工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理（动画（动画2-9)2-9)第5页/共34

5、页第六页，共34页。（动画2-6）(3)(3)伏安伏安(f n)(f n)特性曲线特性曲线输出特性曲线(qxin)恒流区：恒流区：(又称饱和又称饱和(boh)区或放区或放大区）大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断 (2)源端沟道予夹断 第6页/共34页第七页，共34页。可变电阻区可变电阻区特点特点:(1)当当vGS 为定值时为定值时,iD 是是 vDS 的线性函数，的线性函数，管子的漏源间呈现为线性管子的漏源间呈现为线性电阻电阻(dinz)，且其阻值，且其阻值受受 v

6、GS 控制。控制。（2）管压降vDS 很小。用途：做压控线性电用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合阻和无触点的、闭合状态的电子状态的电子(dinz)开关。开关。条件(tiojin)：源端与漏端沟道都不夹断 第7页/共34页第八页，共34页。夹断夹断(ji dun)(ji dun)区区 用途：做无触点的、接用途：做无触点的、接通状态的电子通状态的电子(dinz)开开关。关。条件：整个(zhngg)沟道都夹断 击穿区击穿区 当漏源电压增大到 时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为（20 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS,故vGS越负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工

7、作。特点：第8页/共34页第九页，共34页。转移转移(zhuny)(zhuny)特性曲线特性曲线输入电压(diny)VGS对输出漏极电流ID的控制第9页/共34页第十页，共34页。结型场效应管的特性(txng)小结结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第10页/共34页第十一页，共34页。金属金属(jnsh)-(jnsh)-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor MOSFET 分为 增强型 N沟道(u do)、P沟道(u do)耗尽型 N沟道(u do)、P沟道(u do)增强型：没有导电沟道，耗尽型：存在导电沟道，N沟道

8、 P沟道 增强型N沟道 P沟道 耗尽型第11页/共34页第十二页，共34页。N沟道(u do)增强型场效应管第12页/共34页第十三页，共34页。N N沟道增强型场效应管的工作沟道增强型场效应管的工作(gngzu)(gngzu)原理原理（1）栅源电压）栅源电压(diny)VGS的控制作用的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。当 0VGSVT(开启电压)时，果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向

9、下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结第13页/共34页第十四页，共34页。1.栅源电压(diny)VGS的控制作用的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下，I D 越大。这样(zhyng)，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层(bo cn)转换为N型半导体，称此为

10、反型层。形成N源区到N漏区I D第14页/共34页第十五页，共34页。栅源电压栅源电压VGSVGS对漏极电流对漏极电流IDID的控制的控制(kngzh)(kngzh)作用作用第15页/共34页第十六页，共34页。2.2.漏源电压漏源电压VDSVDS对沟道对沟道(u do)(u do)导电能力的影导电能力的影响响 当当VGSVGSVTVT且固定为某值的情况下，若给漏源且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压间加正电压VDSVDS则源区的自由电子将沿着沟道则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流漂移到漏区，形成漏极电流IDID，当，当IDID从从D D S S流流过沟道时，沿途会产生压降

11、，进而导致沿着沟过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，为极端电压最大，为VGS VGS，由此感生，由此感生(n shnn shn)的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅则栅沟间的电压线性下降，由它们感生沟间的电压线性下降，由它们感生(n n shnshn)的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏间电压最小，其值为：VGD=VGS-VDS,由此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS

12、进一步增大(zn d)，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断点。A第16页/共34页第十七页，共34页。当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道(u do)中，沟道(u do)呈斜线分布。当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为(chn wi)预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端(jdun)延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而

13、未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。第17页/共34页第十八页，共34页。增强型MOSFET的工作(gngzu)原理第18页/共34页第十九页，共34页。MOSFET的特性(txng)曲线1.1.漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线(qxin)(qxin)第19页/共34页第二十页，共34页。2.转移(zhuny)特性曲线 VGS对ID的控制特性 转移特性曲线(qxin)的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V，称gm为跨导。g

14、m=ID/VGSQ（mS)ID=f(VGS)VDS=常数(chngsh)第20页/共34页第二十一页，共34页。增强型MOS管特性(txng)小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第21页/共34页第二十二页，共34页。耗尽(ho jn)型MOSFET N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属(jnsh)正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 ID=0

15、。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP。第22页/共34页第二十三页，共34页。耗尽型MOSFET的特性(txng)曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第23页/共34页第二十四页，共34页。场效应三极管的参数场效应三极管的参数(cnsh)(cnsh)和型号和型号一、一、场效应三极管的参数场效应三极管的参数 1.1.开启开启(kiq)(kiq)电压电压VTVT 开启开启(kiq)(kiq)电压是电压是MOSMOS增强型管的参数，栅源增强型管的参数，栅源电压小于开启电压小于开启(kiq)(kiq)电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导场效应管不能导通。通。2.夹断电压VP 夹

16、断电压是耗尽(ho jn)型FET的参数，当VGS=VP时,漏极 电流为零。3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。第24页/共34页第二十五页，共34页。4.4.输入电阻输入电阻RGSGS 结型场效应三极管，反偏时结型场效应三极管，反偏时RGSRGS约大于约大于107107；绝缘；绝缘(juyun)(juyun)栅型场效应三极管栅型场效应三极管,RGSRGS约是约是10910910151015。5.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移特性曲线(qxin)上求取，单位是mS (毫西门子)。6.最大漏极功耗(n ho)PDM

17、 最大漏极功耗(n ho)可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。第25页/共34页第二十六页，共34页。(2)(2)场效应三极管的型号场效应三极管的型号(xngho)(xngho)场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母其一是与双极型三极管相同，第三位字母J J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O O代表绝缘栅场效应管。代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料第二位字母代表材料(cilio)(cilio)，D D是是P P型硅，型硅，反型层是反型层是N N沟道；沟道；C C是是N N型硅型硅P P沟道

18、。如沟道。如,3DJ6D,3DJ6D是结型是结型N N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C3DO6C是绝缘是绝缘栅型栅型N N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字(shz)代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。第26页/共34页第二十七页，共34页。双极型三极管与场效应三极管的比较(bjio)双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管 结构结构 NPN NPN型型 结型结型 N N沟道沟道 P P沟道沟道 与与 PNP PNP型型 绝缘栅绝缘栅 增强型增强型 N N沟道沟道 P P沟沟道

19、道 分类分类 C C与与E E一般不可一般不可 绝缘栅绝缘栅 耗尽型耗尽型 N N沟道沟道 P P沟沟道道 倒置使用倒置使用(sh(sh yng)Dyng)D与与S S有的型号有的型号可倒置使用可倒置使用(sh(sh yng)yng)载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移 输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入 控制控制 电流控制电流源电流控制电流源 电压控制电流源电压控制电流源 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，且有零温度较小，且有零温度系数点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

20、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 适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成第28页/共34页第二十九页，共34页。绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型 N沟道P 沟道第29页/共34页第三十页，共34页。场效应管放大场效应管放大(fngd)(fngd)电路电路（1）偏置电路及静态(jngti)分析第30页/共34页第三十一页，共34页。分压式自偏压分压式自偏压(pin y)(pin y)电路电路直流通道(tngdo)VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDRID=IDSS1(VGS/VP)2VDS=VDDID(R+Rd)由此可以由此可以(ky)解出解出VGS、ID和和VDS。(1)(1)直流分析直流分析第31页/共34页第三十二页，共34页。小信号小信号(xnho)(xnho)分析法分析法低频(dpn)模型高频(o pn)模型第32页/共34页第三十三页，共34页。(2)(2)交流交流(jioli)(jioli)分析分析小信号(xnho)等效电路电压放大电压放大(fngd)(fngd)倍数倍数输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻第33页/共34页第三十四页，共34页。