第4章场效应管及其电路.ppt

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1、第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)4.1.1 N沟道增强型场效应管(NMOS管)4.1.2 P沟道增强型场效应管(PMOS管)4.2 结型场效应管(JFET)4.2.1 结型场效应管的结构 4.2.2 结型场效应管的工作原理 4.1.3 N沟道耗尽型场效应管 4.1.4 P沟道耗尽型场效应管 4.2.3 特性曲线 4.2.4 场效应管的主要参数及使用注意事项 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 4.3 场效应管放大电路 4.3.1 共源放大电路 4.3.2 共漏放大电路 4.3.3 复合互补源极跟随器 第第4章章 场效应管及其电路场效

2、应管及其电路【本章难点】MOS管的原理和转移特性及主要参数 场效应管的微变等效电路法【本章要点】MOS管的原理、特性和主要参数 结型场效应管原理、特性及主要参数 场效应管放大电路的组成与原理第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 场效应管(FET)是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电路中。场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET)两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章

3、场效应管及其电路场效应管及其电路 绝缘栅型场效应管简称MOS管，由于其内部由金属氧化物半导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分。4.1.1 N沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管(NMOS管管)1结构 如图4-1（a）所示，在一块掺杂浓度较低的P型硅片上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的 区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极，作为栅极G。N4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 (a)结构示意图 (b)电路符号 图4-1 N沟道增强型

4、MOS管 4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路2工作原理(1)栅源电压 时的情况 GS0u 如图4-2所示，漏源之间为一条由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结，因此即使加入漏源电压 ，因无导电沟道形成，漏极电流 。D0iDSu图4-2 时的情况 GS0u4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路2工作原理 如图4-3所示，由P型半导体转化成的N型薄层，被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导体N-N-N组成的导电沟道。若此时加入漏源电压 ，就会有漏极电流 产生。(2)栅源电压 ，漏源电压 时的情况

5、 GS0uDS0u栅源电压 ,漏源电压 时的情况 GS0uDS0u 图4-3DSuDi4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路3特性曲线(1)转移特性曲线 转移特性曲线是指增强型NMOS管在漏源电压一定时，输出电流 与输入电压 的关系曲线，即DiGSuDGSDS()if uu常数转移特性曲线的表达式为2GSDDOT1uiIU-GSTuUDOIGST2uU 是 时的 值,为开启电压。DiTU 图4-4 转移特性曲线（4-1）4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(2)输出特性曲线 输出特性是指增强型NMOS管在

6、栅源电压 一定时，输出电流 与漏源电压 的关系曲线，如图4-5所示，其函数关系式为GSuDiDSuDDSGS()if uu常数 图4-5 输出特性曲线4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.1.2 P沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管(PMOS管管)P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，P沟道增强型MOS管以N型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从 引出，反型层为P型，对应的导电沟道也为P型结构，其符号如图4-6所示。PDSG衬底VT 实际应用中，常常将P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管结合起

7、来使用，称为CMOS，也可称为互补MOS。图4-6 P沟道增强型MOS管电路符号 4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.1.3 N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管 N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。因而使 ,P衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道,其结构如图4-7（a）所示。GS0u 将 时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管，符号中导电沟道用实线表示。GS0u4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 (a)结构示意图 (b)电路符

8、号 N沟道耗尽型MOS管其漏极电流 和栅源电压 之间的关系表达式为 DiGSu2GSDDSSP1uiIU-图4-7 N沟道耗尽型MOS管(4-2)4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.1.4 P沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管 P沟道耗尽型MOS管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与N沟道耗尽型MOS管的对偶外，还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，其符号如图4-8所示。DSG衬底VT 图4-8 P沟道耗尽型MOS管电路符号 4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.2.1 结型场效应

9、管的结构结型场效应管的结构 结型场效应管其内部结构如图4-9所示，与绝缘栅型场效应管不同的是漏极D和源极S通常可以对调使用。结型场效应管也可分为N沟道和P沟道两种。GDS耗尽层漏极源极栅极TextP+P+TextN沟道SDGVT 图4-9 结型场效应管 4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.2.2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 图4-10 时，对导电沟道的影响 0DSuGSu4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路 如图4-10(a)所示，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，因此耗尽层很薄，中间的导电沟

10、道最宽，沟道等效电阻最小。当 时，在 作用下，场效应管两侧的耗尽层加宽，相应的中间导电沟道变窄，沟道等效电阻增大，如图4-10(b)所示。当 的反偏值增大到某一值时，场效应管两侧的耗尽层相接，导电沟道消失，这种现象称为夹断，如图4-10(c)所示，发生夹断时的栅源电压即为夹断电压 。此时，沟道等效电阻趋于无穷大，即使加入 ，漏极电流 依然为零。GS0uGSuGSuPUDSuDi4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.2.3 特性曲线特性曲线 1输出特性曲线 图4-11 N沟道JFET特性曲线 图4-11(a)就是N沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可见

11、，其工作状态分为四个区域。4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(1)可变电阻区 较小，场效应管尚未出现预夹断的区域。该工作区的特点是：与 近似成线性关系，改变 曲线斜率就发生变化。因此，工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅源电压 控制的可变电阻，即压控电阻。(2)恒流区 较大超过 ，输出特性曲线趋于水平的区域。在这一区域内，与 无关，只受 控制，是一个受电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一区域，所以又称为放大区。DSuDiDSuGSuGSuDSuPUDiDSuGSu4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应

12、管及其电路(3)击穿区 值很大，超过漏源击穿电压 ，漏极电流 迅速上升，对应输出特性曲线上翘的部分。击穿后场效应管不能正常工作，甚至很快烧毁，因此，不允许场效应管工作在此区域。(4)截止区 输出特性曲线靠近横轴，漏极电流 的区域。此时，导电沟道被完全夹断，故也被称为夹断区。DSu(BR)DSUDiD0i4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路2转移特性曲线 在N沟道JFET转移特性曲线上，处的 ,而 处的 。在恒流区，与 之间的关系可近似表示为GS0uDDSSiID0iPGSUuDiGSu2GSDDSSP1uiIU-条件为：PDS(BR)DSUuUPGS0U

13、u4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.2.4 场效应场效应管的主要参数及使用注意事项管的主要参数及使用注意事项 1场效应管的主要参数 (1)夹断电压 为耗尽型管子(含结型)的参数,是指 uDS 为某一定值而 iD减小到某一微小值时的 uGS值。在转移特性曲线上，处的 值即为 。D0iGSuPU(2)饱和漏极电流 为耗尽型管子的参数，是在 时，场效应管处于预夹断时的漏极电流。在转移特性曲线上，处的 值即为 。G S0uGS0uDSSID SSIPUDi4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(3)开启电压 为增强型M

14、OS管的特有参数，是指 为某一定值，使漏极电流 为某一微小值(接近于0)时所需的最小 值。DSuDiGSu(4)低频跨导 在 为某一常数时，的微变量与相应 的微变量之比值，即 反映了栅源电压 对漏极电流 的控制能力，是表征FET放大能力的一个重要参数。TUmgDSuDiGSuDSDmGSd d uigu常数GSuDi(4-3)4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路2使用注意事项(1)场效应管的漏极和源极通常情况下可以互换使用，但对于出厂时已将源极和衬底连接在一起的场效应管，使用时应注意漏极和源极不能对调。(2)使用时各场效应管外加电压的极性应按规定接入，特

15、别是结型场效应管应注意栅源间加反偏电压，以保证较高的输入电阻。4.2 结型场效应管(JFET)第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(3)MOS 管应注意防止栅极悬空，以免绝缘层因电荷积累过多无法泄放，导致栅源电压升高而击穿二氧化硅绝缘层，所以贮存时应将三个电极短路，焊接时应用导线将各电极连在一起，并且电烙铁必须良好接地。(4)MOS 管中若源极与衬底分开，应保证衬源间 PN 结反偏。通常 P 衬底接低电位，N衬底接高电位。4.3 场效应管放大电路 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路4.3.1 共源放大电路共源放大电路 1自偏压电路图4-12 自偏压电路 电路如图4-12所示，

16、场效应管的直流偏压是靠源极电阻Rs上的直流压降建立的，即ssDDGSGS0UUUI RI R 放大电路的栅偏压是依靠FET自身电流产生的，故称为自偏压电路。只适合由耗尽型FET(含JFET)构成的放大电路。(4-4)4.3 场效应管放大电路 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路2.分压式自偏压电路图4-13 分压式自偏压电路 电路的直流偏压是靠分压电阻Rg1、Rg2和源极电阻Rs共同建立的，其值为g2sDDDGSGSg1g2RUUUVI RRR (4-5)4.3 场效应管放大电路 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(1)静态分析 g2GSDDDsg1g22GSDDOT1RUVI RRRUIIUg2GSDDDsg1g22GSDDSSP1RUVI RRRUIIU增强型耗尽型求得ID和UGS后，再求DSDDDds()UVIRR4.3 场效应管放大电路 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路(2)动态分析 FET的简化H参数等效电路 图4-14 FET简化H参数等效电路4.3 场效应管放大电路 第第4章章 场效应管及其电路场效应管及其电路图4-15 FET简化H参数等效