第1章第四節(jié)場效應晶體管ppt課件

1、1.4 場效應晶體管 場效應管是一種利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場效應管：場效應管：結(jié)型結(jié)型N溝道溝道P溝道溝道 MOS型N溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型1.4. 1 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管(Junction Field Effect Transistor) 1. 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管 箭頭方箭頭方向表示向表示柵結(jié)柵結(jié)正偏或正偏或正偏時正偏時柵極柵極電流方電流方向。向。N溝道結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)動畫D(Drain):漏極

2、，相當漏極，相當c G(Gate):柵極，相當柵極，相當b S(Source):源極，相當源極，相當e2. 工作原理ID（1VGS對導電溝道的影響：對導電溝道的影響：VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓：夾斷電壓(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結(jié)型場效應管通常工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場效應管只能工作在負柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)。N溝道結(jié)型場效應管工作原理：溝道結(jié)型場效應管工作原理：工作原理(c) |VGS | = VP ，導電溝道被，導電溝道被全夾斷全夾斷(b) 0 VGS 0 ,但但|VGS-VDS| |VP |時的漏極電流時的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDV

3、vIi 當|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對iD的影響很小。實驗證明，當|vGS - vDS | | VP | 時，iD可近似表示為：特性特性21.4. 2絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管( Insulated Gate Field Effect Transistor)絕緣柵型場效應管IGFET又稱金屬氧化物場效應管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一種利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻可達1015。增強型：增強型：VGS=0時，漏源之間沒

4、有導電溝道，時，漏源之間沒有導電溝道， 在在VDS作用下無作用下無iD。耗盡型：耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道，時，漏源之間有導電溝道， 在在VDS作用下有作用下有iD。1. N溝道增強型MOSFET濃度較低的濃度較低的P型硅型硅SiO2 薄膜絕緣層薄膜絕緣層兩個高摻雜的兩個高摻雜的N型區(qū)型區(qū)從從N型區(qū)引出電極作為型區(qū)引出電極作為D和和S在絕緣層上鍍一層金屬鋁并在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個電極作為引出一個電極作為GD(Drain):漏極，相當漏極，相當c G(Gate):柵極，相當柵極，相當b S(Source):源極，相當源極，相當eB(Substrate):襯底襯底結(jié)構(gòu)動畫結(jié)

5、構(gòu)動畫(1) 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號(2) 工作原理以N溝道增強型為例）(a) VGS=0時，漏源之間相時，漏源之間相當兩個背靠背的當兩個背靠背的 二極管，在二極管，在D、S之間加上電壓，不管之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一極性如何，其中總有一個個PN結(jié)反向，所以不存在導結(jié)反向，所以不存在導電溝道。電溝道。 VGS =0， ID =0VGS必須大于必須大于0管子才能工作。管子才能工作。柵源電壓柵源電壓VGSVGS的控制作用的控制作用柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動的控制作用動畫畫柵源電壓VGS的控制作用 （b當柵極加有電壓時，假設0VGSVT （ VT 稱為開啟電壓) 0VGSVT

6、 ， ID=0柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動的控制作用動畫畫柵源電壓VGS的控制作用(c)進一步增加進一步增加VGS，當，當VGSVT時，時， VGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導電溝道導電溝道VGS 反型層變厚反型層變厚 VDS ID 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動的控制作用動畫畫漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a如果如果VGSVT且固定為某一且固定為某一值，值，溝道變化；溝道變化；VDS ID 漏源電壓漏源電壓VDSVDS對漏極電流對漏極電流IDID的影響的影響漏源電壓漏源電壓VDSVDS對對溝道的影響動畫溝道的影響動畫漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b當當V

7、DS增加到使增加到使VGD=VT時，溝道如圖所示時，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，靠近漏極的溝道被夾斷，稱為預夾斷。稱為預夾斷。漏源電壓漏源電壓VDSVDS對對溝道的影響動畫溝道的影響動畫漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDS ID 不變不變（c當當VDS增加到增加到VGDVT時時，溝道如圖所示。此時預夾斷區(qū)，溝道如圖所示。此時預夾斷區(qū)域加長，向域加長，向S極延伸。極延伸。 VDS增加增加的部分基本降落在隨之加長的夾的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，斷溝道上， ID基本趨于不變基本趨于不變漏源電壓漏源電壓VDSVDS對對溝道的影響動畫溝道的影響動畫 ID=f(VGS)VDS=c

8、onst轉(zhuǎn)移特性曲線 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線輸出特性曲線 vDS /V iD(3) 特性曲線以N溝道增強型為例）值時的是在恒流區(qū)，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1-(020轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小的大小反映了柵源電壓反映了柵源電壓VGS對漏極電流對漏極電流ID的控制作用。的控制作用。 gm 的量綱為的量綱為mA/V，稱為跨導。，稱為跨導。 gm= ID/ VGS VDS=const 輸出特性曲線 vDS /V iD(1) (1) 截止區(qū)夾斷區(qū)）截止區(qū)夾斷區(qū)）VGS VTVGS |VP |時的漏時的漏 極電流。（耗盡

9、）極電流。（耗盡）(4) 直流輸入電阻Rgs ：在VDS = 0時，柵源間直流電壓與柵極直流電流的比值2.交流參數(shù)(1) 低頻跨導 gm ：表示vGS對iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm 是曲線在某點上的斜率，也可由是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達式求導得出，單位為的表達式求導得出，單位為 S 或或 mS。常數(shù)DSGSDmvvig(2)輸出電阻輸出電阻rds ：表示：表示VDS對對iD的影響的影響常數(shù)GSDDSdsvivr它是輸出特性曲線上工作點處斜率的倒數(shù)。它是輸出特性曲線上工作點處斜率的倒數(shù)。(3)極間電容極間電容 ：漏源電容：漏源電容CDS約為約為 0.11

10、pF，柵源電容，柵源電容CGS和和柵柵 漏極電容漏極電容CGD約為約為13pF。3.極限參數(shù)(1) 最大漏極電流最大漏極電流 IDM (3) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 V(BR)DS 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓 V(BR)GS (2) 最大漏極耗散功率最大漏極耗散功率 PDM 1.4.4場效應管與雙極型三極管的比較及使用注意事項雙極型三極管雙極型三極管場效應三極管場效應三極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NPN型型PNP型型結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵增強型絕緣柵增強型 N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵耗盡型絕緣柵耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道C與與E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D與與S可倒置使

11、用可倒置使用載流子載流子多子擴散少子漂移多子擴散少子漂移多子漂移多子漂移控制控制電流控制電流源電流控制電流源CCCS()電壓控制電流源電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲噪聲較大較大較小較小溫度特性溫度特性受溫度影響較大受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點較小，可有零溫度系數(shù)點輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上靜電影響靜電影響不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成工藝不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成2.5 場效應管放大電路場效應管的小信號模型場效應管的小信號模型共源極放大電路共源極放大電路共漏極放

12、大電路共漏極放大電路共柵組態(tài)基本放大電路共柵組態(tài)基本放大電路2.5.1場效應管的小信號模型一般rds很大，可忽略，得簡化小信號模型:2.5.2 共源極放大電路以NMOS增強型場效應管為例三極管與場效應管三種組態(tài)對照表：1 電路組成 比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個解電路的問題了。 圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應。2 靜態(tài)工作點的確定估算法）直流通路 靜態(tài)工作點(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS

13、= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。3 動態(tài)參數(shù)分析微微變變等等效效電電路路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/ /.doo=RIVRoisivsRRRRgALm2.5.3 共漏極放大電路 直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出VGS、ID和VDS。與三極管共集電與三極管共集電極電路對應極電路對應直流通路：Rg的作用？交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA輸出電阻mmooogsogsmoo1/1gRRgRIVRVVVgRVI2.5.4 共柵極放大電路RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVRLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv例題例題1 共源共源知：知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：靜態(tài)分析：解：靜態(tài)分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入?yún)?shù)得：代入?yún)?shù)得：3ID2-7ID+3