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文檔簡介
第五章場效應管放大電路5.1結型場效應管5.2結型場效應管放大電路5.3金屬氧化物場效應管5.4金屬氧化物場效應管放大電路場效應管(FieldEffectTransistor)
:只有一種載流子參與導電,故稱單極型三極管。利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的三極管,是電壓控制電流型器件。特點輸入電阻高,功耗低熱穩(wěn)定性好,噪聲低,抗輻射能力強制造工藝簡單、易于集成第五章場效應管放大電路N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道(耗盡型)FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管分類:DSGN符號5.1結型場效應管(JunctionFieldEffectTransistor)5.1.1JFET結構及符號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)
在漏極和源極之間加上一個正向電壓,N型半導體中多數(shù)載流子電子可以導電。N溝道場效應管P溝道場效應管
P溝道結型場效應管結構圖N+N+P型溝道GSD
P溝道場效應管是在P型硅棒的兩側做成高摻雜的N型區(qū)(N+),導電溝道為P型,多數(shù)載流子為空穴。符號GDS5.1.2結型場效應管(JFET)工作原理
N溝道結型場效應管用改變vGS
大小來控制漏極電流ID的。(VCCS)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,耗盡層會變寬,導電溝道寬度減小,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)。1.vGS
對導電溝道的控制作用(vDS=0)ID=0GDSN型溝道P+P+
(a)
vGS=0vGS=0時,耗盡層比較窄,導電溝比較寬vGS由零逐漸減小,耗盡層逐漸加寬,導電溝相應變窄。當vGS=VP,耗盡層合攏,導電溝被夾斷.VP為夾斷電壓ID=0GDSP+P+N型溝道(b)
Vp<vGS<0VGGID=0GDSP+P+
(c)
vGS
<VPVGG2.vDS
漏極電流iD的影響(1)vGS
=0當vDS=0時,iD=0ID=0GDSP+P+N型溝道(b)
Vp<vGS<0VGG2.vDS
漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG
vDS
iD
,同時G、D間PN結的反向電壓增加,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。vGD
=vGS
-vDS
(1)–vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)
改變vGS
,改變了PN結中電場,控制了iD
,故稱場效應管;(2)結型場效應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,場效應管輸入電阻很高。(c)當vDS增加到使-vGD=VP時,在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS
夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變,表現(xiàn)出恒流特性。2.vDS
漏極電流iD的影響(VP<vGS<0)GDSNiSiDP+P+VDD當vDS=0時,iD=0vGD
=vGS
-vDS
2.vDS
漏極電流iD的影響GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG
vDS
iD
,同時G、D間PN結的反向電壓增加,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。vGD
=vGS
-vDS>VPGDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(1)
改變uGS
,改變了PN結中電場,控制了iD
,故稱場效應管;(2)結型場效應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,場效應管輸入電阻很高。(c)當vDS增加到使vGD=VP時,在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS
夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變,表現(xiàn)出恒流特性。此時飽和電流iD小于vGS=0時的飽和電流Idss.GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)
改變vGS
,改變了PN結中電場,控制了iD
,故稱場效應管;(2)結型場效應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,場效應管輸入電阻很高。2.vDS
漏極電流iD的影響(vGS≤VP)溝道夾斷
iD=0小結(1)當vDS使vGD
=vGS
-vDS
>Vp情況下,d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當vDS使vGD
=Vp時,d-s之間預夾斷(3)當vDS使vGD<Vp時,iD幾乎僅僅決定于vGS
,而與vDS
無關。此時,可以把iD近似看成vGS控制的電流源。二、結型場效應管的特性曲線1.轉移特性(N溝道結型場效應管為例)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測試電路+mA
1.轉移特性OvGS/ViD/mAIDSSVP轉移特性
結型場效應管轉移特性曲線的近似公式:≤≤vGS=0,iD
最大;vGS
愈負,iD
愈??;vGS=VP,iD
0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流
IDSS(VGS=0時的ID)夾斷電壓VP(iD=0時的VGS)IDSS/ViD/mAvDS
/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預夾斷軌跡恒流區(qū)
可變電阻區(qū)輸出特性夾斷區(qū)vDSiDVDDVGGDSGV+V+vGS特性曲線測試電路+mA擊穿區(qū)2.輸出特性曲線
當柵源之間的電壓UGS不變時,漏極電流iD
與漏源之間電壓uDS
的關系,即(a)漏極輸出特性曲線(b)轉移特性曲線N溝道結型場效應管的特性曲線*結型P溝道的特性曲線SGD轉移特性曲線iDUGS(Off)IDSSOuGS輸出特性曲線iDUGS=0V+uDS++o柵源加正偏電壓,(PN結反偏)漏源加反偏電壓。1.4.3場效應管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流
IDSS2.夾斷電壓UP或UGS(off)3.開啟電壓UT
或UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。為增強型場效應管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應管的一個重要參數(shù)。輸入電阻很高。結型場效應管一般在107以上,絕緣柵場效應管更高,一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導gm2.極間電容
用以描述柵源之間的電壓uGS
對漏極電流iD
的控制作用。單位:iD
毫安(mA);uGS
伏(V);gm毫西門子(mS)
這是場效應管三個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。一般為幾個皮法。三、極限參數(shù)3.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS4.柵源擊穿電壓U(BR)GS
由場效應管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉化為熱能使管子的溫度升高。當漏極電流ID急劇上升產生雪崩擊穿時的UDS。
場效應管工作時,柵源間PN結處于反偏狀態(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。1.最大漏極電流IDM5.3絕緣柵型場效應管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor
由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管,或簡稱MOS場效應管。特點:輸入電阻可達109~1015。VGS=0時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管;VGS=0時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。5.3.1N溝道增強型MOS場效應管
結構P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極GN溝道增強型MOS場效應管的結構示意圖SGDB箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)(1)工作原理
絕緣柵場效應管利用vGS
來控制“感應電荷”的多少,改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況,以控制漏極電流iD。(2)工作原理分析1)vGS=0
漏源之間相當于兩個背靠背的PN結,無論漏源之間加何種極性電壓,在D、S間也不可能形成電流。SBD
2)
vDS=0,0<vGS<VT
柵極金屬層將聚集正電荷,它們排斥P型襯底靠近SiO2
一側的空穴,形成由負離子組成的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道,F(xiàn)ET仍不具備導通條件,處于截止狀態(tài)。
3)
vDS=0,vGS≥VT
由于吸引了足夠多P型襯底的電子,會在耗盡層和SiO2之間形成可移動的表面電荷層——反型層、N型導電溝道。
vGS
升高,N溝道變寬。因為vDS=0,所以iD=0。VT為開始形成反型層所需的VGS,稱開啟電壓。4)
vDS
對導電溝道的影響(vGS
>VT)
導電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流iD
。b.UDS=UGS–VT,
UGD=VT
靠近漏極溝道達到臨界開啟程度,出現(xiàn)預夾斷。
由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大,vDS
逐漸增大時,導電溝道兩端電壓基本不變,iD因而基本不變。a.UDS<UGS–VT,即UGD=UGS–UDS>VTc.UDS>UGS–VT,
UGD<VTA
vDS
對導電溝道的影響(a)
UGD>VT(b)
UGD=VT(c)
UGD<VT在vDS
>vGS–VT時,對應于不同的vGS就有一個確定的iD
。此時,可以把iD近似看成是vGS控制的電流源。(a)轉移特性(b)輸出特性vGS<VT
,iD=0;UGS≥VT
,形成導電溝道,隨著vGS
的增加,iD
逐漸增大。(當vGS
>VT時)
三個區(qū):可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT2UTIDOvGS/ViD/mAOiD/mAvDS
/VO預夾斷軌跡恒流區(qū)
可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。VGS增加(3)特性曲線5.3.2N溝道耗盡型MOS場效應管P型襯底N+N+BGSD++++++
制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子,這些正離子電場在P型襯底中“感應”負電荷,形成“反型層”。即使vGS=0也會形成N型導電溝道。++++++++++++
vGS≥0,vDS>0,產生較大的漏極電流;
vGS<0,絕緣層中正離子感應的負電荷減少,導電溝道變窄,iD
減小;
vGS=
VP,感應電荷被“耗盡”,iD
0。VP為夾斷電壓耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOS管特性工作條件:vDS>0;vGS
正、負、零均可。iD/mAvGS
/VOUP(a)轉移特性IDSS符號SGDB(b)輸出特性iD/mAvDS
/VO+1VvGS=0-3V-1V-2V432151015205.3.4P溝道MOSFET1.P溝道增強型MOS管的開啟電壓VT<0當UGS<VT
,漏-源之間應加負電源電壓管子才導通,空穴導電。2.P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VT>0VT
可在正、負值的一定范圍內實現(xiàn)對iD的控制,漏-源之間應加負電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道種類符號轉移特性曲線輸出特性曲線
結型N溝道耗盡型
結型P溝道耗盡型
絕緣柵型
N溝道增強型SGDSGDiDvGS=0V+vDS++oSGDBvGSiDOVT各類場效應管的符號和特性曲線+vGS
=VTvDSiD+++OiDvGS=0V---vDSOvGSiDVPIDSSOvGSiD/mAVPIDSSO種類符號轉移特性曲線輸出特性曲線絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強型耗盡型IDSGDBvDSiD_vGS=0+__OiDvGSVPIDSSOSGDBIDSGDBIDiDvGSVTOiDvGSVPIDSSO_iDvGS=VTvDS_o_vGS=0V+_iDvDSo+HomeNext
例5.3.1
已知各場效應管的輸出特性曲線如圖所示。試分析各管子的類型。解:(a)iD>0(或vDS>0),則該管為N溝道;vGS0,故為JFET(耗盡型)。
(b)iD<0(或vDS<0),則該管為P溝道;vGS<0,故為增強型MOS管。
(c)iD>0(或vDS>0),則該管為N溝道;vGS可正、可負,故為耗盡型MOS管。提示:場效應管工作于恒流區(qū):(1)N溝道增強型MOS管:VDS>0,VGS>VGS(th)>0;P溝道反之。(2)
N溝道耗盡型MOS管:VDS>0,VGS可正、可負,也可為0;P溝道反之。
(3)N溝道JFET:VDS>0,VGS<0;P溝道反之。
例5.3.2
電路如圖
(a)所示,場效應管的輸出特性如圖
(b)所示。試分析當uI=2V、8V、12V三種情況下,場效應管分別工作于什么區(qū)域。
(c)當uI=10V
時,假設管子工作于恒流區(qū),此時iD=2mA,故uO
=uDS
=VDD-iD
Rd=18-28=2V,
uDS
-VGS(th)=2-6=-4V,顯然小于uGS
=10V時的預夾斷電壓,故假設不成立,管子工作于可變電阻區(qū)。此時,RdsuDS/iD=3V/1mA=3k,故解:(a)當uI=2V
時,uI=uGS<VGS(th)
,場效應管工作于夾斷區(qū),iD=0,故uO=VDD-iD
Rd=VDD=18V。
(b)當uI=8V
時,假設管子工作于恒流區(qū),此時iD=1mA,故uO
=uDS
=VDD-iD
Rd=18-18=10V,
uDS
-VGS(th)=10-4=6V,大于uDS
=10V時的預夾斷電壓,故假設成立。例5.3.1
已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應管(結型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、耗盡型)。分析:N溝道增強型MOS管,開啟電壓VT
=4V例1.4.2電路如左圖所示,其中管子T的輸出特性曲線如右圖所示。試分析ui為0V、8V和10V三種情況下uo分別為多少伏?分析:N溝道增強型MOS管,開啟電壓UGS(th)
=4V解:(1)ui為0V,即uGS=ui=0,管子處于夾斷狀態(tài)
所以u0=VDD
=15V(2)uGS=ui=8V時,從輸出特性曲線可知,管子工作在恒流區(qū),iD=1mA,
u0=uDS
=VDD-iD
RD
=10V(3)uGS=ui=10V時,若工作在恒流區(qū),iD=2.2mA。因而u0=15-2.2*5
=4V但是,uGS
=10V時的預夾斷電壓為uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可見,此時管子工作在可變電阻區(qū)從輸出特性曲線可得uGS
=10V時d-s之間的等效電阻(D在可變電阻區(qū),任選一點,如圖)所以輸出電壓為
(4)由于場效應管的結構對稱,有時漏極和源極可以互換使用,而
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