場(chǎng)效應(yīng)管及基本放大電路李林.ppt

第五章場(chǎng)效應(yīng)管及基本放大電路,MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路,第一節(jié),第二節(jié),第三節(jié),第四節(jié),第一節(jié)MOS場(chǎng)效應(yīng)極管,場(chǎng)效應(yīng)管：是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。,1.根據(jù)載流子來劃分：N溝道器件：電子作為載流子的。P溝道器件：空穴作為載流子的。,2.根據(jù)結(jié)構(gòu)來劃分：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET：,(一)增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu),N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖：D為漏極，相當(dāng)C；G為柵極，相當(dāng)B；S為源極，相當(dāng)E。,一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET分為：增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道,N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖,柵壓為零時(shí)有溝道,柵壓為零時(shí)無溝道,P型硅作襯底濃度較低引出電極B,在P型襯底上生成SiO2薄膜絕緣層引出電極G極,用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極：S極和D極,由于BS短接,G與襯底B間產(chǎn)生電場(chǎng)，電子被正極板吸引,空穴被排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子電子，將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。,1柵源電壓UGS的控制作用,漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。即:ID=0,（二）工作原理,(1).當(dāng)UGS=0V時(shí):,(2).0UGSUT時(shí):,(3).當(dāng)UGS=UT:(UT稱為開啟電壓),1.在UGS=0V時(shí)ID=0;2.只有當(dāng)UGSUT后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。,出現(xiàn)反型層,與N形成一體,形成導(dǎo)電溝道;當(dāng)UDS0時(shí):D溝道S之間形成漏極電流。,(4).當(dāng)UGSUT:(UT稱為開啟電壓),隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻，ID將不斷,（續(xù)）工作原理,(1).轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。(2).gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下：,圖03.14轉(zhuǎn)移特性曲線,gm=ID/UGSUDS=const(單位mA/V),（三）特性曲線,UGS對(duì)ID的控制關(guān)系可用如下曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,ID=f(UGS)UDS=const,1.轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖：,(1).UGS0,隨UGS溝道加厚溝道電阻ID,UDS正向減小，曲線右移，但UDS不同的曲線差別很小,在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID與UDS的關(guān)系為：,ID=K(UGS-UT)2;式中K為導(dǎo)電因子,ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L,短溝道時(shí)：ID=K(UGS-UT)2(1+UDS),且UGS固定為某一很小值時(shí)：UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。,圖03.15(a)漏源電壓UDS對(duì)溝道的影響,(動(dòng)畫2-5),2輸出特性曲線,此時(shí)有如下關(guān)系:,（1）可變電阻區(qū)UGSUT:,反映了漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用：,ID=f(UDS)UGS=const,ID=K(UGS-UT)2UDS,由上式可知:UGS一定恒流區(qū)內(nèi)：,Ron=dUDS/dID|dUGS=0,Ron=L/nCOXW(UGS-UT),1.UGS恒定時(shí)近似為常數(shù)。2.Ron隨UGS而變化，故稱可變電阻區(qū)。,圖03.16漏極輸出特性曲線,當(dāng)UDS=UGS-UT時(shí):(由于的存在，導(dǎo)電溝道不均勻)此時(shí)漏極端的導(dǎo)電溝道將開始消失（稱預(yù)夾斷）,(2)恒流區(qū)：UDS=0或較小時(shí):(即UGDUT),當(dāng)UGS一定時(shí)：ID隨UDS基本不變，ID恒定稱恒流區(qū)。,當(dāng)UDSUGS-UT時(shí):隨UDS夾斷點(diǎn)向移動(dòng)，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。,(3)擊穿區(qū)：當(dāng)UDS增加到某一臨界值時(shí)，ID（急?。┘碊與襯底之間擊穿。,漏源電壓UDS對(duì)溝道的影響,圖03.16漏極輸出特性曲線,當(dāng)UGSUT，且固定為某一值時(shí):UDS對(duì)ID的影響的關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。,UGS0時(shí)；隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UGS(off)表示，有時(shí)也用UP表示。,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，,(二)N溝道耗盡型MOSFET,當(dāng)UGS=0時(shí)；正離子已感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,(a)結(jié)構(gòu)示意圖,在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。,當(dāng)UGS0時(shí)；將使ID進(jìn)一步增加。,圖03.17N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線,N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線:,如圖所示,N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線:,圖03.18N溝道耗盡型的輸出特性曲線,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。區(qū)別是導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同。同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,(三)P溝道耗盡型MOSFET,場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道不同，以及增強(qiáng)型還是耗盡型,可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于下圖之中。,2.伏安特性曲線,圖03.18各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道增強(qiáng)型,P溝道增強(qiáng)型,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道耗盡型,P溝道耗盡型,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,N溝道耗盡型,P溝道耗盡型,第二節(jié)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管,JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理也相同。如圖:在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極;N型硅的一端是漏極;另一端是源極。,圖03.19結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu),一.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu):,柵極,漏極,源極,二.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作反偏的條件下。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)。P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。現(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。,柵源電壓對(duì)溝道的控制作用,4.當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP、這一過程如圖02.20所示。,1.當(dāng)UGS=0時(shí):耗盡層、溝道寬，溝道電阻小，N區(qū)電子隨UDS，產(chǎn)生ID并。,2.當(dāng)UGS0時(shí)（即負(fù)壓）時(shí):PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小。,3.當(dāng)UGS繼續(xù)減小（即負(fù)壓）：溝道繼續(xù)變窄，并在極附近耗盡層相遇，稱預(yù)夾斷，ID繼續(xù)減小直至為0。,圖02.21漏源電壓對(duì)溝道的控制作用,漏源電壓對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)時(shí)；在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，所示。當(dāng)UDS繼續(xù)增加；漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長(zhǎng)延長(zhǎng)。以上過程與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管十分相似，見圖03.15。,當(dāng)UGSUGS(off)；若漏源電壓UDS從零開始增加，則UGD=UGS-UDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，所示。,(三)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線,它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正可負(fù)，而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。,JFET的特性曲線有兩條：,轉(zhuǎn)移特性曲線：,輸出特性：,場(chǎng)效應(yīng)管,1.分類,按導(dǎo)電溝道分,N溝道,P溝道,按結(jié)構(gòu)分,絕緣柵型(MOS),結(jié)型,按特性分,增強(qiáng)型,耗盡型,uGS=0時(shí)，iD=0,uGS=0時(shí)，iD0,增強(qiáng)型,耗盡型,(耗盡型),2.特點(diǎn),柵源電壓改變溝道寬度從而控制漏極電流,輸入電阻高，工藝簡(jiǎn)單，易集成,由于FET無柵極電流，故采用轉(zhuǎn)移特性和輸出特性描述,3.特性,不同類型FET的特性比較參見表5-2第164頁,不同類型FET轉(zhuǎn)移特性比較,結(jié)型,N溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,MOS管,(耗盡型),IDSS,開啟電壓UGS(th),夾斷電壓UGS(off),IDO是uGS=2UGS(th)時(shí)的iD值,第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路,一場(chǎng)效應(yīng)管的直流參數(shù)二場(chǎng)效應(yīng)管的微變參數(shù)三場(chǎng)效應(yīng)管的型號(hào)四場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通(即IG=0)。,夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)漏極電流為零時(shí),UGS=UP,耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,一場(chǎng)效應(yīng)三極管的直流參數(shù),開啟電壓UT,夾斷電壓UP,飽和漏極電流IDSS,場(chǎng)效應(yīng)管柵源輸入電阻RGS：柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值:結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，反偏時(shí)RGS約大于107，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管RGS約是1091015。,漏源、柵源擊穿電壓BUDS、BUGS,低頻跨導(dǎo)gm低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mA/V或mS(毫西門子)。,二場(chǎng)效應(yīng)管的微變參數(shù),(1).圖解法求解：在曲線上作切線，其斜率為gm,(2).解析法求解：,增強(qiáng)型MOSFET:gm=1/Ron,耗盡型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up,襯底跨導(dǎo)gmb,漏極電阻rdS：可在輸出特性曲線上求解,導(dǎo)通電阻Ron：,極間電容:包括CgS、Cgd、Cgb、Csd、Csb、Cdb。,在恒流區(qū)：,下表列出了MOS管參數(shù),表3-2常用場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù),三場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,1.低頻等效電路：,FET低頻微變等效電路（dUBS=0）,2.高頻等效電路：,FET高頻微變等效電路（dUBS=0）,雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較,雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較(續(xù)),第四節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的基本放大電路,一場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路二外加偏置電路三三種基本放大電路四三種接法基本放大電路的比較,一場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路,（一）自給偏置電路：,(1).UGS=0時(shí)：IS=ID,RS兩端電壓為：US=ISRS,(2).由于IG=0;UG=0:UGS=-ISRS=-IDRS,由此構(gòu)成支流偏壓，所以稱為自給偏壓式。,1.基本型自給偏置電路：,基本型自給偏置電路,2.改進(jìn)型自給偏置電路：,(1).由R1=R2分壓，給RG一個(gè)固定偏壓。RG很大以減小對(duì)輸入電阻的影響。,(2).對(duì)于耗盡型FET：UGS=EDR2/(R1+R2)-IDRS,此時(shí)：RS大Q點(diǎn)不會(huì)低。,改進(jìn)型自給偏置電路,ID=IDSS1(UGS/Up)2,（二）外加偏置電路：,外加偏置電路,對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET:UGS=0時(shí)：ID=0,(1).此時(shí)靠外加偏壓：UGS=EDRL/(R1+R2),(2).改進(jìn)型外加偏壓：,UGS=EDRL/(R1+R2)-IDRS,對(duì)于JFET,須保證|US|US|時(shí)，放大器具有正確的偏壓。,耗盡型以自給偏壓為主,二三種基本放大電路,結(jié)型共源放大器電路,電壓增益為:,1.未接CS時(shí):等效電路如圖:,一般rdsRDRLRS;rds可忽略.,（一）共源組態(tài)基本放大器,放大器的輸入電阻為:,放大器的輸出電阻為:,ri=RG+(R1/R2)RG,roRD,2.接入CS時(shí):,AU-gmRD,ri=RG+(R1/R2)RG,ro=RD/rdsRD,結(jié)型共漏放大器電路,電壓增益為:,其等效電路如圖:,（二）共漏組態(tài)基本放大器,共漏放大器電路如圖:,ri=RG,輸入電阻為:,式中:Rs=rds/Rs/RLRs/RL1,求輸入電阻:,1.畫等效電路：令Ui=0、RL開路；在輸出端加測(cè)試電壓Uot,2.求輸入電阻:,Ugs=-Uot;,Iot=Uot(1/Rs+gm),根據(jù)輸出電阻的定義：,ro=Uot/Iot=Rs/（1/gm）,（三）共柵組態(tài)基本放大器,其等效電路如圖:,共柵放大器電路如圖:,3-24.共柵放大器典型電路,電壓增益為:,式中:RD=RD/RL,3-22.共柵放大器等效電路(電流源),3-22.共柵放大器等效電路(電壓源),ri=Rs/ri,輸入電阻為:,3-22.共柵放大器等效電路(電壓源),ri,ri=Ui/Id1/gm,當(dāng)rdsRD,gmrds1時(shí)：,所以：riRs/（1/gm）,輸出電阻為:,roRD/rdsRD,ro,表3-3FET三種組態(tài)性能比較,一共源組態(tài)基本放大電路,場(chǎng)效應(yīng)管共源基本放大電路，可與共射組態(tài)的晶體管放大電路相對(duì)應(yīng)。區(qū)別是場(chǎng)效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。,圖03.28結(jié)型共源組態(tài)接法基本放大電路,(1)直流分析,共源基本放大電路的直流通道畫出,如圖03.29所示。,03.29共源基本放大電路的直流通道,則JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。,圖中R1、R2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。,與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對(duì)應(yīng)。,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源PN結(jié)是反偏工作，無柵流。,UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UGUS=UGIDRID=IDSS1(UGS/Up)2UDS=UDDID(Rd+R),03.29共源基本放大電路的直流通道,根據(jù)圖03.29可寫出下列方程：,于是可以解出UGS、ID和UDS。,二共漏組態(tài)基本放大電路,圖03.32共漏組態(tài)放大電路03.33直流通道,其直流工作狀態(tài)和動(dòng)態(tài)分析如下。,共漏組態(tài)基本放大電路的直流通道畫于圖3.33，于是有：UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2)UGS=UGUS=UGIDRID=IDSS1(UGS/Up)2UDS=UDDIDR,(1)直流分析,三共柵組態(tài)基本放大電路,(1)直流分析與共源組態(tài)放大電路相同。,圖03.36共柵組態(tài)放大電路,圖03.36共柵組態(tài)放大電路,共柵組態(tài)放大電路,回顧：場(chǎng)效應(yīng)晶體管知識(shí),場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS,場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:,MOS絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（N溝道）,（1）結(jié)構(gòu),P型基底,兩個(gè)N區(qū),SiO2絕緣層,金屬鋁,N導(dǎo)電溝道,N溝道增強(qiáng)型,（2）符號(hào),N溝道耗盡型,柵極,漏極,源極,N溝道MOS管的特性曲線,NMOS場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,UGS=3V,UGS=4V,UGS=5V,開啟電壓UGS（th）=1V,增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線,增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,耗盡型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線,UGS=0V,UGS=+1V,UGS=+2V,夾斷電壓UP=-2V,耗盡型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性,跨導(dǎo)gm,=ID/UGS,=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V,夾斷區(qū),可變電阻區(qū),恒流區(qū),場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路,輸入回路：開路輸出回路：交流壓控恒流源，電流,5.2場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大電路,11.6.1電路的組成原則及分析方法,(1).靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作