武汉理工大学模电课件第4章fet

第四章 单极型场效应管及其放大电路,信息工程学院 电子技术基础课程组,4. 场效应管放大电路,三极管,三极管放大电路,分析方法,图解法 估算法 微变等效电路法,场效应管,场效应管放大电路,小 结,作业,引言,场效应管的分类,JFET,MOSFET,FET放大电路,MESFET,各类FET放大电路性能比较,引言,三极管(BJT),电流控制器件（基极电流）,输入阻抗不高,双极型器件（两种载流子：多子少子均参与导电）,噪声高,场效应管(Field Effect Transistor),电压控制器件（栅、源极间电压）,输入阻抗极高,单极型器件（一种载流子：多子参与导电）,噪声小,缺点是速度慢（有寄生电容效应）,场效应管（和三极管相比）：优点多、应用广泛,基本概念,电压控制器件 电流控制器件 单极型器件 双极型器件 感生沟道 导电沟道 增强型 耗尽型 夹断电压 开启电压 预夹断 全夹断 饱和漏极电流 栅电流 输出特性 转移特性 自偏压电路 分压式自偏压电路 反相电压放大器 电压跟随器 电流跟随器,FET分类,结型场效应管JFET,（按导电沟道类型）,P沟道,N沟道,绝缘栅型场效应管MOSFET,耗尽型,(按导电沟道形成机理),增强型,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,按基本结构,结型场效应管,一、结构和工作原理,二、特性曲线和参数,结构与符号,工作原理,外部工作条件,vGS对iD的控制作用,vDS对iD的影响,输出特性和转移特性,主要参数,例题,JFET结构与符号,N沟道结型场效应管,P+,P+,N,g,耗尽层,三个区域：一个N区，两个P+区,三个电极：源极s，漏极d，栅极g,一个导电沟道：N型,电路符号,箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向,（P沟道？）,JFET结构（P沟道）,P沟道结型场效应管,三个区域：一个P区，两个N+区,三个电极：源极s，漏极d，栅极g,一个导电沟道：P型,电路符号,箭头方向：,工作原理（1、2）,P+,P+,N,g,外部工作条件 vGS为负值 vDS为正值,vGS对iD的控制作用,为便于讨论，先假设漏源极间所加的电压vDS=0,(a) 当vGS=0时，沟道较宽，其 电阻较小。,(b) 当vGS0时，PN结反偏，沟道变窄，其电阻增大。,(c) 当vGS进一步减小到一定程度（ vGS VP），沟道消失，失去导电能力。全夹断,工作原理（3）,vDS对iD的影响（假设vGS值固定，且VPvGS0）,P+,P+,g,VGG,VDD,(a)当漏源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。,(b) 在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。,(c) 随着vDS的进一步增加，出现楔形沟道,(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，预夹断,(e) 继续增加，饱和，继而发生击穿,JFET特性曲线,输出特性,场效应管的输入电流iG 0，输入特性无意义，故用输出特性和转移特性描述伏安特性（本质为同一个物理过程）。,0,10,20,可变电阻区,放大（饱和）区,截止区,三个工作区域,JFET输出特性上的工作区域,可变电阻区,恒流区,夹断区,击穿区,放大区,截止区,JFET转移特性曲线,转移特性,10,（transfer characteristic）,在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？,（b）,（c）,（a）,例题,G,D,S,解（a）因为vGSVP,管子工作在截止区。,（b）因,管子工作在放大区。,（c）因,管子工作在可变电阻区。,(1) 夹断电压VP：,(2)饱和漏极电流IDSS （也称为零偏漏极电流）,(3) 跨导gm 也称为互导。其定义为：,当管子工作在放大区时，由于,求解管子的跨导,JFET主要参数,(5) 直流输入电阻RGS：,(4)输出电阻rd：,(6) 最大漏源电压V(BR)DS JFET发生击穿时对应的漏源电压,(7) 最大栅源电压V(BR)GS,当栅源电压增大，栅极与沟道的PN结反向击穿，栅极电流急剧上升时的栅源电压,JFET主要参数,JFET的极限参数，当漏极功耗超过最大漏极功耗PDM时，管子发热，温度过高导致器件损坏。,(8) 最大漏极功耗PDM,栅源电容Cgs,栅漏电容Cgd,漏源电容Cds,JFET主要参数,(10) 噪声系数、高频参数、极间电容等,金属-氧化物-半导体场效应管,一、N沟道增强型MOSFET (E型NMOS),二、N沟道耗尽型MOSFET (D型NMOS),结构与符号,工作原理,结构与符号,工作原理,特性曲线,三、主要参数,MOSFET结构与符号（N沟道增强型）,N+,s,g,d,N+,半导体 Semiconductor,氧化物 Oxide(SiO2),金属 Metal(Al),B,（P沟道增强型）,符号,B,MOSFET结构与符号（P沟道增强）,N+,S,G,D,N+,MOSFET工作原理1,+,+,与JFET相似，MOSFET的工作原理同样表现在： 栅压vGS对沟道导电能力的控制， 漏源电压vDS对漏极电流的影响。,N+,S,G,D,N+,+,+,(1) vGS对沟道的控制作用,当vGS=0时， 漏源极间是两个背靠背的PN结，无论漏源极间如何施加电压，总有一个PN结处于零偏或反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，尤其当vDS大于零时，电阻值高达1012数量级，将不会有漏电流出现，iD0。,MOSFET工作原理2,N+,S,G,D,N+,+,+,(1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0,外加vGS0时，SiO2绝缘层上产生电场。方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底。,该电场排斥空穴、吸引电子。在 vGS较小的情况下形成耗尽层。,电场排斥空穴,形成耗尽层,MOSFET工作原理3,N+,S,G,D,N+,+,+,(1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0,vGS继续增大 将P衬底的电子吸引到表面，形成一个N型薄层，反型层，,形成导电沟道,出现反型层,且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道。开启电压，VT,MOSFET工作原理4,(1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0,vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。,N+,S,G,D,N+,+,+,导电沟道增厚 沟道电阻减小,MOSFET工作原理5,(2) vDS对iD的影响,当vGSVT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。,N+,S,G,D,N+,+,+,当在漏源之间施加正向电压vDS0，且vDS较小时，将产生漏极电流iD。,iD,iD,MOSFET工作原理6,(2) vDS对iD的影响，,N+,S,G,D,N+,+,+,漏极电流iD沿沟道形成的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大、沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGSvDS，因而沟道最薄。,vGSVT为定值,沿沟道有电位梯度,MOSFET工作原理7,(2) vDS对iD的影响,随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄。 当vDS增加到使VGD=vGSvDS=VT时，沟道在漏极一端出现预夹断。,vGSVT为定值,N+,S,G,D,N+,+,+,MOSFET工作原理8,(2) vDS对iD的影响,再继续增大vDS，vGSvDSVT夹断点将向源极方向移动。,vGSVT为定值,N+,S,G,D,N+,+,+,管子进入饱和区 iD达到最大值,由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区（实际的线性工作区），iD几乎仅由vGS决定 。,MOSFET工作原理9,MOSFET特性曲线1,MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述,输出特性,转移特性,输出特性描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流iD与漏源电压vDS之间的关系。,输出特性曲线也分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。,输出特性：,可变电阻区,放大（饱和）区,截止区,击穿区,MOSFET特性曲线2,(1) 可变电阻区,a. vDS较小，沟道尚未夹断,b. vDS vGS- |VT|,c.管子相当于受vGS控制的压控电阻,输出特性,MOSFET特性曲线,(2) 放大区(饱和区、恒流区),a. 沟道预夹断,c. iD几乎与vDS无关,d. iD只受vGS的控制,b. vDS vGS- |VT|,2,4,0,6,10,20,放大区,输出特性,MOSFET特性曲线,a. vGSVT,(3) 截止区,b.沟道完全夹断,c. iD=0,2,4,0,6,10,20,输出特性,截止区,MOSFET特性曲线,0,2,4,0,6,10,20,转移特性曲线,输出特性曲线,MOSFET特性曲线,MOSFET（耗尽型）结构与符号,N沟道耗尽型MOFETS符号,P沟道耗尽型MOSFET符号,1JFET栅源电压vGS的极性不能接反，JFET可开路保存。,3. MOSFET的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。,2从MOSFET的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此可以互换。当MOSFET的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。,（MOSFET）使用注意,增强型与耗尽型管子的区别：,耗尽型：,增强型：,当 时，,当 时，,绝缘栅型场效应管（MOSFET）,小结：,场效应管放大电路,一、常见组态：共源、共漏、共栅（用的很少）,二、直流偏置,三、分析方法,四、分析举例,估算法,图解法（略）,小信号模型分析法,场效应管放大电路：电压控制型器件，放大作用以跨导gm来体现,三极管放大电路：电流控制型器件，放大作用以电流放大倍数来体现,直流偏置,自偏压电路,直流偏置电路,固定偏压电路,分压器式自偏压电路,一、自偏压电路,二、分压器式自偏压电路,自偏压原理：,场效应管的小信号模型,小信号前提下，可以用直线来逼近FET的特性曲线。用直线来代替，即将非线性元件线性化、非线性电路线性化。,小信号模型,场效应管放大电路的动态分析,例一,共源极放大电路,小信号等效电路,小信号模型,场效应管放大电路的动态分析,例二,a. 求电压放大倍数,场效应管放大电路的动态分析,b