場效應(yīng)管放大電路.ppt

2019/11/21,1,5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管,5.3結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）,*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,5.5各種放大器件電路性能比較,5.2MOSFET放大電路,第5章場效應(yīng)管放大電路,2019/11/21,2,P溝道,耗盡型,P溝道,P溝道,（耗盡型）,場效應(yīng)管的分類：,2019/11/21,3,關(guān)于MOS場效應(yīng)管符號的說明：,N溝道增強型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開，表示零柵壓時溝道不通。,表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。,N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時溝道已經(jīng)連通。,N溝道結(jié)型MOS管。沒有絕緣層。,如果是P溝道，箭頭則向外。,2019/11/21,4,5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管,5.1.1N溝道增強型MOSFET,5.1.5MOSFET的主要參數(shù),5.1.2N溝道耗盡型MOSFET,5.1.3P溝道MOSFET,5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng),2019/11/21,5,5.1.1N溝道增強型MOSFET,1.結(jié)構(gòu)（N溝道）,L：溝道長度,W：溝道寬度,tox：絕緣層厚度,通常WL,2019/11/21,6,剖面圖,符號,N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。,2019/11/21,8,2N溝道增強型MOSFET的主要工作原理,對N溝道增強型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個方面進行討論，一是柵源電壓UGS對溝道會產(chǎn)生影響，二是漏源電壓UDS也會對溝道產(chǎn)生影響，從而對輸出電流，即漏極電流ID產(chǎn)生影響。,(1)柵源電壓UGS的控制作用,先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。,UGS帶給柵極正電荷，會將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。,同時會在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。,溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時若加上UDS，就會有漏極電流ID產(chǎn)生。,反型層,當(dāng)UGS較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS，也不能形成ID。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時，對應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。,2019/11/21,9,VGS對溝道的控制作用,當(dāng)VGS0時,無導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓時，也無電流產(chǎn)生。,當(dāng)0VT）時，,vDS,ID,溝道電位梯度,整個溝道呈楔形分布,2019/11/21,11,（2）漏源電壓VDS的控制作用,設(shè)VGSVGS(th)，增加UDS，此時溝道的變化如下。,顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因為源極和襯底相連接，所以加入VDS后，VDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入VDS后，在漏源之間會形成一個傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。,當(dāng)VDS進一步增加時，ID會不斷增加,同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷,當(dāng)VDS進一步增加時，漏端的耗盡層向源極伸展，此時ID基本不再增加，增加的VDS基本上降落在夾斷區(qū)。,2019/11/21,12,當(dāng)VGS一定（VGSUT）時，,VDS,ID,溝道電位梯度,當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,VDS對溝道的控制作用,在預(yù)夾斷處：VGD=VGS-VDS=VT,2019/11/21,13,預(yù)夾斷后，VDS,夾斷區(qū)延長,溝道電阻,ID基本不變,2019/11/21,14,（3）VDS和VGS同時作用時,VDS一定，VGS變化時,給定一個VGS，就有一條不同的IDVDS曲線。,2019/11/21,15,當(dāng)柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。,3.分析步驟總結(jié)（1）柵源電壓VGS的控制作用,當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。,2019/11/21,16,VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用ID=f(VGS)VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。,進一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時，由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。,隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。,2019/11/21,17,轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下gm=ID/VGSUDS=const(單位mS),ID=f(UGS)UDS=const,2019/11/21,18,（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系,VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDS,當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,漏源電壓VDS對溝道的影響,2019/11/21,19,當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖(a)，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時，溝道如圖(b)所示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。,當(dāng)VDS增加到VGSVGS(th)時，溝道如圖(c)所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。,當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即ID=f(VDS)VGS=const這一關(guān)系曲線如圖所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。,漏極輸出特性曲線,ID=f(VDS)VGS=const,2019/11/21,21,4.V-I特性曲線及大信號特性方程,（1）輸出特性及大信號特性方程,截止區(qū)當(dāng)vGSVT時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。,2019/11/21,22,可變電阻區(qū)vDS（vGSVT）,由于vDS較小，可近似為,rdso是一個受vGS控制的可變電阻,2019/11/21,23,可變電阻區(qū),n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容,本征電導(dǎo)因子,其中,Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2,2019/11/21,24,飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）,vGSVT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT時的iD,V-I特性：,2019/11/21,25,（2）轉(zhuǎn)移特性,2019/11/21,26,5.1.2N溝道耗盡型MOSFET,1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）,二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子,可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流,2019/11/21,27,當(dāng)VGS0時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,2019/11/21,28,(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線,2019/11/21,29,N溝道耗盡型MOSFET主要工作原理,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,當(dāng)UGS=0時，對應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)UGS0時，將使ID進一步增加。UGS0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。,夾斷電壓,IDSS,2019/11/21,30,2.V-I特性曲線及大信號特性方程,（N溝道增強型）,2019/11/21,31,5.1.3P溝道MOSFET,2019/11/21,32,5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng),實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的,L的單位為m,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，0，曲線是平坦的。,修正后,2019/11/21,33,5.1.5MOSFET的主要參數(shù),一、直流參數(shù),NMOS增強型,1.開啟電壓VT（增強型參數(shù)）,2.夾斷電壓VP（耗盡型參數(shù)）,3.飽和漏電流IDSS（耗盡型參數(shù)）,4.直流輸入電阻RGS（1091015）,二、交流參數(shù),1.輸出電阻rds,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，0，rds,2019/11/21,34,2.低頻互導(dǎo)gm,二、交流參數(shù),考慮到,則,其中,2019/11/21,35,三、極限參數(shù),1.最大漏極電流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源電壓V（BR）DS,4.最大柵源電壓V（BR）GS,2019/11/21,36,5.2MOSFET放大電路,5.2.1MOSFET放大電路,1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算,2.圖解分析,3.小信號模型分析,2019/11/21,37,1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算,（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）,直流通路,共源極放大電路,2019/11/21,38,（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）,假設(shè)工作在飽和區(qū)，即,驗證是否滿足,如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤,須滿足VGSVT，否則工作在截止區(qū),再假設(shè)工作在可變電阻區(qū),即,2019/11/21,39,假設(shè)工作在飽和區(qū),滿足,假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。,解：,例：,設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,2019/11/21,40,（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路,飽和區(qū),需要驗證是否滿足,2019/11/21,41,靜態(tài)時，vI0，VG0，IDI,電流源偏置,VSVGVGS,（飽和區(qū)）,電流源偏置電路,2019/11/21,42,2.圖解分析,由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同,2019/11/21,43,3.小信號模型分析,（1）模型,靜態(tài)值（直流）,動態(tài)值（交流）,非線性失真項,當(dāng)，vgs2(VGSQ-VT)時，,2019/11/21,44,（1）模型,0時,高頻小信號模型,2019/11/21,45,解：例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大電路分析（例5.2.5）,s,2019/11/21,46,s,2019/11/21,47,（2）放大電路分析（例5.2.6）,共漏,2019/11/21,48,2019/11/21,49,5.3結(jié)型場效應(yīng)管,5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù),5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法,2019/11/21,50,5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,1.結(jié)構(gòu),#符號中的箭頭方向表示什么？,2019/11/21,51,2.工作原理,vGS對溝道的控制作用,當(dāng)vGS0時,（以N溝道JFET為例）,當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP（或VGS(off)）。,對于N溝道的JFET，VP0。,PN結(jié)反偏,耗盡層加厚,溝道變窄。,vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。,2019/11/21,52,vDS對溝道的控制作用,當(dāng)vGS=0時，,vDS,ID,G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。,當(dāng)vDS增加到使vGD=VP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,此時vDS,夾斷區(qū)延長,溝道電阻,ID基本不變,2019/11/21,53,vGS和vDS同時作用時,當(dāng)VPvGS0時，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，,對于同樣的vDS，ID的值比vGS=0時的值要小。,在預(yù)夾斷處,vGD=vGS-vDS=VP,2019/11/21,54,綜上分析可知,溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。,JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。