场效应管及其基本放大电路精.ppt
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1、场效应管及其基本放大电路第1页,本讲稿共70页3.1结型场效应结型场效应管管 引言引言3.1.1 结型场效应管的结构及类型3.1.3 结型场效应管的伏安特性3.1.2 结型场效应管的工作原理3.1.4 结型场效应管的主要参数第2页,本讲稿共70页 BJTBJT是是一一种种电电流流控控制制元元件件(i iB Bi iC C),工工作作时时,多多数数载载流流子子和和少少数数载流子都参与运行,所以被称为双极型器件。载流子都参与运行,所以被称为双极型器件。场场效效应应管管(Field Field Effect Effect TransistorTransistor简简称称FETFET)是是一一种种电电
2、压压控控制制器器件件(u uGSGSi iD D),工工作作时时,只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电,因因此此它是单极型器件。它是单极型器件。FETFET因因其其制制造造工工艺艺简简单单,功功耗耗小小,温温度度特特性性好好,输输入入电电阻阻极极高高等等优优点点,得得到到了了广广泛泛应应用用。因因它它具具有有很很高高的的输输入入电电阻阻,能能满满足足高高内内阻阻信信号号源源对对放放大大电电路路的的要要求求,所所以以是是较较理理想想的的前前置输入级器件。置输入级器件。引引 言言第3页,本讲稿共70页引引 言言场效应管场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型:
3、类型:增强型增强型耗尽型耗尽型绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管结型场效应管(JFET)场效应管场效应管(FET)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P沟道沟道第4页,本讲稿共70页场效应管场效应管特点:特点:1.单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ,IGFET 可高达可高达 1015 )第5页,本讲稿共70页 预备知识:PN结正偏,空间电荷区变窄;PN结反偏,空间电荷区变宽。N型半导体 中,自由电子为多子,空穴
4、为少子。第6页,本讲稿共70页3.1 结型场效应管结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构及类型结型场效应管的结构及类型N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET结型结型场效应管工作时它的两个场效应管工作时它的两个PNPN结始终要加反向电压。对于结始终要加反向电压。对于N N沟道,各极间的外加电压变为沟道,各极间的外加电压变为U UGSGS00,漏源之间加正向电压,漏源之间加正向电压,即即U UDSDS0 0。S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 Drain第7页,本讲稿共70页3.1.2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理1.当当uDS=0时,栅源电
5、压时,栅源电压uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用 uGS=0 UGS(off)uGS0 uGS UGS(off)第8页,本讲稿共70页(2)(2)栅源间外加负向电压栅源间外加负向电压U UGSGS时,两个时,两个PNPN结均处反偏状态。随着结均处反偏状态。随着U UGSGS负向增大,加在负向增大,加在PNPN结上的反偏电压增大,则耗尽层加宽。由于结上的反偏电压增大,则耗尽层加宽。由于N N沟沟道掺杂浓度较低,故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽,使得道掺杂浓度较低,故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽,使得沟道变窄,沟道电阻增大。沟道变窄,沟道电阻增大。(3 3)当)当U UG
6、SGS负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层相遇,沟道被完全夹负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层相遇,沟道被完全夹断,漏源间的电阻将趋于无穷大。相应于此时的漏源间电压断,漏源间的电阻将趋于无穷大。相应于此时的漏源间电压U UGSGS称为夹称为夹断电压,用断电压,用U UGS(off)GS(off)表示。表示。uGS=0 UGS(off)uGS 0 此时此时 uGD=UGS(off);沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。当当 uDS ,预夹断预夹断点点下移。下移。当G、S两极间电压UGS改变时,沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变,由于沟道宽度的变化,导致沟道电阻值的改变,从而
7、实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。第12页,本讲稿共70页3.1.3 结型场效应管的伏安特性结型场效应管的伏安特性1.输出特性输出特性 第13页,本讲稿共70页2.转移特性转移特性 栅源电压对漏极电流的控制作用栅源电压对漏极电流的控制作用UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下和管子工作在恒流区的条件下 第14页,本讲稿共70页3.1.4 结型场效应管的主要参数结型场效应管的主要参数1.直流参数直流参数(1)夹断电压夹断电压UGS(off)指指 uDS=某值,使漏极电流某值,使漏极电流 iD 为某一小电流时的为某一小电流时的 uGS 值。值。结型场效应管,当结型场效应管,当 u
8、GS=0 时所对应的导电沟道预时所对应的导电沟道预夹断时的漏极电流。夹断时的漏极电流。(2)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS第15页,本讲稿共70页(3)直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC)是指漏源电压为零时,栅源电压与栅极电流之比。是指漏源电压为零时,栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的结型场效应管的RGS(DC)一般大于一般大于107。反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力,单位的控制能力,单位 S(西门子西门子)。一般。一般为几为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO2.交流参数交流参数(1)低频跨导低频跨导gm 第16页,本讲稿共70页(2)极间电容极间电容 CGS约为13
9、pF,而CGD约为0.11pF 3.极限参数极限参数(1)最大漏极电流最大漏极电流IDM(2)最大漏源电压最大漏源电压U(BR)DS(3)最大栅源电压最大栅源电压U(BR)GS(4)最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM=uDS iD,受温度限制。,受温度限制。第17页,本讲稿共70页3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管MOS 场效应管场效应管(绝缘栅场效应管(绝缘栅场效应管)N沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型第18页,本讲稿共70页一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET(Mental Oxid
10、e Semi FET)1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N+区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB工作时栅源之间加正向电源电压工作时栅源之间加正向电源电压U UGSGS,漏源之间加正向电源电,漏源之间加正向电源电 压压U UDSDS,并且源极与衬底连接并且源极与衬底连接,衬底是电
11、路中最低的电位点。衬底是电路中最低的电位点。3.2.1 增强型增强型MOS管管第19页,本讲稿共70页2.工作原理工作原理反型层反型层(沟道沟道)(1)导电沟道的形成导电沟道的形成uGS=0 uGS0 且且uGSUGS(th)第20页,本讲稿共70页2.2.工作原理工作原理 当当u uGSGS=0V=0V时,漏源之间相当两个背靠背的时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在二极管,在 d d、s s之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。1).栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用(u uDSDS=0)=0)当栅源间无外加电压时,当栅源间无外加电压时,
12、由于漏源间不存在导电沟道,由于漏源间不存在导电沟道,所以无论在漏源间加上何种所以无论在漏源间加上何种极性的电压,都不会产生漏极性的电压,都不会产生漏极电流。极电流。正常工作时,栅源间正常工作时,栅源间必须外加电压以使导电沟必须外加电压以使导电沟道产生,导电沟道产生过道产生,导电沟道产生过程如下:程如下:第21页,本讲稿共70页2.2.工作原理工作原理1).栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用(u uDSDS=0)=0)当在栅源间外加正向电压当在栅源间外加正向电压U UGSGS时,外时,外加的正向电压在栅极和衬底之间的加的正向电压在栅极和衬底之间的i i2 2绝缘层中产生了由栅极指向衬底的
13、绝缘层中产生了由栅极指向衬底的电场,由于绝缘层很薄(电场,由于绝缘层很薄(0.1um0.1um左右)左右),因此数伏电压就能产生很强的电,因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近场。该强电场会使靠近i i2 2一侧一侧P P型衬底中的多子(空穴)受到排斥而型衬底中的多子(空穴)受到排斥而向体内运动,从而在表面留下不能移向体内运动,从而在表面留下不能移动的负离子,形成耗尽层。耗尽层与动的负离子,形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。金属栅极构成类似的平板电容器。第22页,本讲稿共70页2.2.工作原理工作原理1).栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用(u uDSDS=0
14、)=0)随着正向电压随着正向电压U UGSGS的增大,耗尽层也的增大,耗尽层也随着加宽,但对于随着加宽,但对于P P型半导体中的少子型半导体中的少子(电子),此时则受到电场力的吸引。(电子),此时则受到电场力的吸引。当当U UGSGS增大到某一值时,这些电子被吸增大到某一值时,这些电子被吸引到引到P P型半导体表面,使耗尽层与绝缘层型半导体表面,使耗尽层与绝缘层之间形成一个之间形成一个N N型薄层型薄层,鉴于这个,鉴于这个N N型薄型薄层是由层是由P P型半导体转换而来的,故将它型半导体转换而来的,故将它称为反型层。称为反型层。第23页,本讲稿共70页2.2.工作原理工作原理1).栅源电压栅源
15、电压uGS的控制作用的控制作用(u uDSDS=0)=0)反型层与漏源间的两个反型层与漏源间的两个N N型区相连,型区相连,成为漏源间的导电沟道。这时,如果成为漏源间的导电沟道。这时,如果在漏源间加上电压,就会有漏极电流在漏源间加上电压,就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的产生。人们将开始形成反型层所需的U UGSGS值称为开启电压,用值称为开启电压,用U UGS(th)GS(th)表示。表示。显然,栅源电压显然,栅源电压U UGSGS越大,作用于越大,作用于半导体表面的电场越强,被吸引到半导体表面的电场越强,被吸引到反型层中的电子愈多,沟道愈厚,反型层中的电子愈多,沟道愈厚,相应的
16、沟道电阻就愈小。相应的沟道电阻就愈小。第24页,本讲稿共70页当当uGS UGS(th),且固定为某一值时,来分析漏源电,且固定为某一值时,来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。(设(设UT=2V,uGS=4V)(a)uds=0时,时,id=0。(b)uds id;,漏极附近的电场减弱,漏极附近的电场减弱,同时沟道靠同时沟道靠漏区变窄。漏区变窄。(c)当)当uds增加到使增加到使ugd=UGS(th)时,沟道靠时,沟道靠漏区夹断,称为漏区夹断,称为预夹断预夹断。(d)uds再增加,预夹断区再增加,预夹断区加长,加长,uds增加的部分基本降落在随之加长的夹增加的部分基本降
17、落在随之加长的夹断沟道上,断沟道上,id基本不变。基本不变。2).2).漏源电压漏源电压u uDSDS对漏极电流对漏极电流i id d的控制作用的控制作用DS DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形,u uDSDS,靠靠近近漏漏极极端的沟道厚度变薄。端的沟道厚度变薄。uGD=uGS-u-uDSDSu uGSGS;第25页,本讲稿共70页(1)输出特性输出特性 可变电阻区可变电阻区uDS UGS(th)时:时:uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O第27页,本讲稿共70页二、耗尽型二、耗尽型 N 沟道沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝绝缘缘层层中中掺掺入
18、入正正离离子子在在 uGS=0 时时已已形形成成沟沟道;在道;在 DS 间加正电压时形成间加正电压时形成 iD,uGS UGS(off)时,全夹断。时,全夹断。第28页,本讲稿共70页输出特性输出特性uGS/ViD/mA转移特性转移特性IDSSUGS(off)夹断夹断电压电压饱和漏饱和漏极电流极电流当当 uGS UGS(off)时,时,uDS/ViD/mAuGS=4 V 2 V0 V2 VOO第29页,本讲稿共70页三、三、P 沟道沟道 MOSFET增强型增强型耗尽型耗尽型SGDBSGDB第30页,本讲稿共70页N 沟道沟道增强型增强型SGDBiDP 沟道沟道增强型增强型SGDBiD2 2 O
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