第9講-場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路(2-6)課件

第九講場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路一、場(chǎng)效應(yīng)管二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法三、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析四、復(fù)合管第九講場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路一、場(chǎng)效應(yīng)管二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效DSGN符號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。DSGN符號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖1.4.2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDSP溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖1.4.2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N二、工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。二、工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UG1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UGS(off)

為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID。UGS=0，UDG<，ID較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(off),UDG>|UGS(off)|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改變UGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了ID，故稱場(chǎng)效應(yīng)管或電壓控控元件；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UD三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS（off）圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS愈負(fù)，ID愈??；UGS=UP，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS（off)(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS的關(guān)系，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA圖1.4.6(b)漏極特性IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V1015200.40.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖1.4.7在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖1.4.8N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+2.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖1.4.92.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。(2)UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N(4)

UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID。b.UDS=UGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)(4)UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖1.4.11UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSD3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)UGS<UGS(th)，ID=0；UGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖1.4.12(a)圖1.4.12(b)3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID減小；UGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UGS(off)稱為夾斷電壓圖1.4.13二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSDN溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖1.4.15MOS管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖1.4.14特性曲線N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：ID/mAUGS/1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流IDSS2.夾斷電壓UGS(off)3.開啟電壓UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流ID二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容用以描述柵源之間的電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。單位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西門子(mS)這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS由場(chǎng)效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿3.各類場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性u(píng)GS=0可工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＜0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？3.各類場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型絕緣增種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣耗盡型增強(qiáng)型耗盡型IDSGD雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件；2.柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；3.一種極性的載流子導(dǎo)電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；4.制造工藝簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模集成；5.存放管子應(yīng)將柵源極短路，焊接時(shí)烙鐵外殼應(yīng)接地良好，防止漏電擊穿管子；6.跨導(dǎo)較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制1）基本共源極放大電路圖2.7.3共源極放大電路原理電路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系bG,eS,cD為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：圖示電路為N溝道增強(qiáng)型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。(UT：開啟電壓)二、場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法1）基本共源極放大電路圖2.7.3共源極放大電路原理電路一、靜態(tài)分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖2.7.3共源極放大電路原理電路兩種方法近似估算法圖解法(一)近似估算法MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時(shí)UGSQ=VGG而iD與uGS之間近似滿足(當(dāng)uGS>UT)式中IDO為uGS=2UT時(shí)的值。則靜態(tài)漏極電流為一、靜態(tài)分析VDD+iDVT~+uIVGGRGSDGRD圖

(二)圖解法圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的Q點(diǎn)VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD畫出直流負(fù)載線。圖中IDQ、UDSQ即為靜態(tài)值。(二)圖解法圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的2.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點(diǎn)？+VDDuOuIRgRdRsRL2.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)圖解法由式可做出一條直線，另外，iD與uGS之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)。確定UGSQ，IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+根據(jù)漏極回路方程在漏極特性曲線上做直流負(fù)載線，與uGS=UGSQ的交點(diǎn)確定Q，由Q確定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ圖2.7.8用圖解法分析圖2.7.7電路的Q點(diǎn)根據(jù)漏極回路方程在漏極特性曲線上做直流負(fù)載線，與uG二、動(dòng)態(tài)分析iD的全微分為上式中定義：——場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)(毫西門子mS)?！獔?chǎng)效應(yīng)管漏源之間等效電阻。1.微變等效電路二、動(dòng)態(tài)分析iD的全微分為上式中定義：——場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)二、動(dòng)態(tài)分析如果輸入正弦信號(hào)，則可用相量代替上式中的變量。成為：根據(jù)上式做等效電路如圖所示。圖2.7.5場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路++——GDS由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。二、動(dòng)態(tài)分析如果輸入正弦信號(hào)，則可用相量代替上式中的變量。成微變參數(shù)gm和rDS

(1)根據(jù)定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。(2)用求導(dǎo)的方法計(jì)算gm在Q點(diǎn)附近，可用IDQ表示上式中iD，則一般gm約為0.1至20mS。rDS為幾百千歐的數(shù)量級(jí)。當(dāng)RD比rDS小得多時(shí)，可認(rèn)為等效電路的rDS開路。微變參數(shù)gm和rDS(1)根據(jù)定義2.共源極放大電路的動(dòng)態(tài)性能VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖2.7.6共源極放大電路的微變等效電路將rDS開路而所以輸出電阻Ro=RDMOS管輸入電阻高達(dá)109

。-D++-GSRG+-2.共源極放大電路的動(dòng)態(tài)性能VDD+iDVT~+uIVG二、分壓式共源放大電路動(dòng)態(tài)分析微變等效電路入右圖所示。圖2.7.9圖2.7.7電路的微變等效電路—D++—GS+—由圖可知電壓放大倍數(shù)輸入、輸出電阻分別為二、分壓式共源放大電路動(dòng)態(tài)分析微變等效電路入右圖所示。圖2.7.4共漏極放大電路——源極輸出器或源極跟隨器圖2.7.10源極輸出器典型電路如右圖所示。+VT+SDGR2VDD+RLRSR1C1C2++RG靜態(tài)分析如下：分析方法與“分壓-自偏壓式共源電路”類似，可采用估算法和圖解法。2.7.4共漏極放大電路——源極輸出器或源極跟隨器圖2.動(dòng)態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)圖2.7.11微變等效電路—D++-GS+—而所以2.輸入電阻Ri=RG+(R1//R2)動(dòng)態(tài)分析1.電壓放大倍數(shù)圖2.7.11微變等效電路—D3.輸出電阻圖2.7.11微變等效電路—D++-GS~在電路中，外加，令，并使RL開路因輸入端短路，故則所以實(shí)際工作中經(jīng)常使用的是共源、共漏組態(tài)。3.輸出電阻圖2.7.11微變等效電路—D++-GS~3.基本共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析若Rs=3kΩ，gm=2mS，則gmUgsUgsRgUoUiRs+VDDRguouiRsVGG3.基本共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析若Rs=3kΩ，gm=2m基本共漏放大電路輸出電阻的分析若Rs=3kΩ，gm=2mS，則Ro=?R’sgmUgs+Ugs

–RgUoRs基本共漏放大電路輸出電阻的分析若Rs=3kΩ，gm=2mS，四、復(fù)合管復(fù)合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。

不同類型的管子復(fù)合后，其類型決定于T1管。目的：增大β，減小前級(jí)驅(qū)動(dòng)電流，改變管子的類型。四、復(fù)合管復(fù)合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。討論一

判斷下列各圖是否能組成復(fù)合管

在合適的外加電壓下，每只管子的電流都有合適的通路，才能組成復(fù)合管。討論一

判斷下列各圖是否能組成復(fù)合管在合適的外加電壓下Ri=?Ro=?討論二清華大學(xué)華成英hchya@Ri=?Ro=?討論二清華大學(xué)華成英hchya第九講場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路一、場(chǎng)效應(yīng)管二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法三、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析四、復(fù)合管第九講場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路一、場(chǎng)效應(yīng)管二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。1.4場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效DSGN符號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。DSGN符號(hào)1.4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1.4.1P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖1.4.2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDSP溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖1.4.2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N二、工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。二、工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UG1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UGS(off)

為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPVGG1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID。UGS=0，UDG<，ID較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(off),UDG>|UGS(off)|,ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改變UGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了ID，故稱場(chǎng)效應(yīng)管或電壓控控元件；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UD三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS（off）圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS愈負(fù)，ID愈小；UGS=UP，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS（off)(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA三、特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS的關(guān)系，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖1.IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖1.4.5特性曲線測(cè)試電路+mA圖1.4.6(b)漏極特性IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V1015200.40.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖1.4.7在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。1.4.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管由金屬、氧化物和一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖1.4.8N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+2.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖1.4.92.工作原理絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS耗盡層變寬。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。(2)UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N(4)

UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID。b.UDS=UGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)(4)UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖1.4.11UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSD3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)UGS<UGS(th)，ID=0；UGS

≥

UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖1.4.12(a)圖1.4.12(b)3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID減??；UGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UGS(off)稱為夾斷電壓圖1.4.13二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSDN溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖1.4.15MOS管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖1.4.14特性曲線N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：ID/mAUGS/1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流IDSS2.夾斷電壓UGS(off)3.開啟電壓UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流ID二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容用以描述柵源之間的電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。單位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西門子(mS)這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS由場(chǎng)效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿3.各類場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性u(píng)GS=0可工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＜0才工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？3.各類場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各類場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型絕緣增種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣耗盡型增強(qiáng)型耗盡型IDSGD雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三級(jí)管的比較二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件；2.柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；3.一種極性的載流子導(dǎo)電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；4.制造工藝簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模集成；5.存放管子應(yīng)將柵源極短路，焊接時(shí)烙鐵外殼應(yīng)接地良好，防止漏電擊穿管子；6.跨導(dǎo)較小，電壓放大倍數(shù)一般比三極管低。二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)：1.場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制1）基本共源極放大電路圖2.7.3共源極放大電路原理電路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系bG,eS,cD為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：圖示電路為N溝道增強(qiáng)型MOS

場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路。(UT：開啟電壓)二、場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法1）基本共源極放大電路圖2.7.3共源極放大電路原理電路一、靜態(tài)分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD圖2.7.3共源極放大電路原理電路兩種方法近似估算法圖解法(一)近似估算法MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時(shí)UGSQ=VGG而iD與uGS之間近似滿足(當(dāng)uGS>UT)式中IDO為uGS=2UT時(shí)的值。則靜態(tài)漏極電流為一、靜態(tài)分析VDD+iDVT~+uIVGGRGSDGRD圖

(二)圖解法圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的Q點(diǎn)VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD畫出直流負(fù)載線。圖中IDQ、UDSQ即為靜態(tài)值。(二)圖解法圖2.7.4用圖解法分析共源極放大電路的2.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點(diǎn)？+VDDuOuIRgRdRsRL2.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。3分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++圖2.7.7分壓-自偏式共源放大電路列輸出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)圖解法由式可做出一條直線，另外，iD與uGS之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)。確定UGSQ，IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+根據(jù)漏極回路方程在漏極特性曲線上做直流負(fù)載線