大连理工大学模电五.pptx

跳转到目录页Field-effect transistors were invented by Julius Edgar Lilienfeld in 1925 and by Oskar Heil in 1934,but practical devices were not able to be made until 1952(the JFET).The MOSFET,which largely superseded the JFET and had a more profound effect on electronic development,was first proposed by Dawon Kahng in 1960.The concept of the FET predates the BJT,though it was not physically implemented until after BJTs due to the limitations of semiconductor materials and relative ease of manufacturing BJTs compared to FETs at the time.FETField Effect TransisterHigh-power N-channel field-effect transistor第1页/共41页跳转到目录页nThe FET can be made very small,so high-density VLSI circuits and high-density memories are possible.nThe FET has led to the 2nd electronics revolution in the 1970s and 1980s,in which the microprocessor has made possible powerful desktop computers and sophisticated hand-held calculators.FETField Effect Transister第2页/共41页跳转到目录页The FET is a type of transistor that relies on an electric field（电场）to control the shape（形状形状）and hence the conductivity（导电性）of a channel（沟道沟道）of one type of charge carrier in a semiconductor material.(VCCS)FETField Effect Transister1.MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET）:金属-氧化物-半导体场效应管,也称绝缘栅型绝缘栅型FET2.JFET(Junction type FET):结型结型FET按结构结构分，有两类FETs are sometimes called unipolar transistors(单极型晶体管)to contrast their single-carrier-type operation with the dual-carrier-type operation of bipolar(junction)transistors(BJT).压控电阻？压控电阻？第3页/共41页跳转到目录页5.1 MOSFETn5.1.1 结构与符号n5.1.2 工作原理与特性曲线n5.1.3 主要参数第4页/共41页跳转到目录页5.1.1 结构与符号MOS管管又又分为两类：增强型(Enhancement-mode)耗尽型(Depletion-mode)D 相当于cG 相当于bS 相当于e增强型MOS管N沟道沟道（导电通道）（导电通道）N-channel箭头：PN二、符号一、结构*Je箭头箭头:P ND(Drain):漏极漏极G(Gate):栅极栅极S(Source):源极源极B(Body):衬底衬底 (Substrate)第5页/共41页跳转到目录页5.1.2 工作原理与特性曲线1、转移特性曲线 Transfer Characteristics iD=f(vGS)vDS=const一、一、特性曲线特性曲线 I-V Characteristics1、输入特性曲线 iB=f(vBE)vCE=const第6页/共41页跳转到目录页一、一、特性曲线特性曲线 I-V Characteristics2、输出特性曲线 iC=f(vCE)iB=const2、输出特性曲线 Drain Characteristics iD=f(vDS)vGS=constVCCS！CCCS！可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区第7页/共41页跳转到目录页二、工作原理二、工作原理 OperationThreshold voltage（开启电压开启电压)反型层反型层(Inversion layer)VGS控制控制沟道宽窄沟道宽窄1.开启开启(turn on)沟道沟道VGS=VT增强型MOS管+0V宽宽窄窄VGS=VT第8页/共41页跳转到目录页 2 2沟道变形沟道变形预夹断pinch-off楔形楔形沟道电位梯度电位梯度VDS控制沟道形状+0V可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VTvGD=vGS-vDS=VT第9页/共41页跳转到目录页1)截止区（cutoff region）vGSVT,iD=0 输出特性曲线iD=f(vDS)vGS=const可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VT2)可变电阻区(nonsaturation region)vDSvGS-VT 3)饱和区（saturation region）vDSvGS-VT电导常数（单位mA/V2）P203(5.1.3)P203(5.1.6)转移特性曲线第10页/共41页跳转到目录页 另：N沟道耗尽型MOSFET(a)结构和符号 (b)转移特性曲线P沟道 N沟道PNP NPNVP夹断夹断电压电压增强型NMOS：耗尽型NMOS：第11页/共41页跳转到目录页可变可变电阻区电阻区饱和区饱和区截止区截止区5.1.3 主要参数 (与FET类型有关)(1)(1)直流参数直流参数 VT开启电压(增强型)IDSS饱和漏极电流(耗尽型)VGS=0（shorted)时 所对应的ID RGS直流输入电阻 约10910152N6659or VP夹断电压(耗尽型)当VGS=VP 时,ID=0第12页/共41页跳转到目录页 gm 低频跨导transconductancen反映VGS对ID的控制作用(VCCS)n gm=ID/VGSVDS=const(mS)(毫西门子)(3)(3)安全参数安全参数 最大漏极电流IDM UBRXX反向击穿电压 XX：GS、DS PDM最大漏极功耗 由PDM=VDS ID决定 (2)(2)交流参数交流参数gm可以在转 移特性曲线上求取，即曲线的斜率2N6659第13页/共41页跳转到目录页5.2 JFET5.2 JFETn4.2.1 结构与符号n4.2.2 工作原理与特性曲线n4.2.3 主要参数第14页/共41页跳转到目录页5.2.1 结构与符号 JFET分为：N沟道 P沟道 箭头：PN第15页/共41页跳转到目录页一、工作原理 2 2vDS控制控制沟道形状沟道形状5.2.2 工作原理与特性曲线二、二、特性曲线特性曲线(a)漏极输出特性曲线1vGS控制控制沟道宽窄ID=IDSS1(VGS/VP)2(b)转移特性曲线第16页/共41页跳转到目录页 1vGS控制控制沟道宽窄(vDS=0)(pinch off)夹断电压夹断电压0V-VGS=VPPN结反偏结反偏!窄宽第17页/共41页跳转到目录页+0 2 2vDS控制控制沟道形状沟道形状(vGS=0)预夹断pinch-off楔形楔形沟道电位梯度电位梯度+0V预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VP第18页/共41页跳转到目录页5.2.3 主要参数VP夹断(pinch off)电压 耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,ID=0 RGS输入电阻 RGS约大于107与与MOSFETMOSFET不同的参数不同的参数第19页/共41页跳转到目录页各类场效应管的特性比较表比较表(P237(P237）：沟道长度调制参数：沟道长度调制参数绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第20页/共41页跳转到目录页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第21页/共41页跳转到目录页结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第22页/共41页跳转到目录页双极型三极管和场效应型三极管的比较5.3 型号(略,同BJT)第23页/共41页跳转到目录页vGSiD0vDS:N沟道加正电压 P沟道加负电压各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性IDSSVPIDSSN沟道JFETN沟道增强MOSVTN沟道耗尽MOSP沟道耗尽MOSP沟道增强MOSVTP沟道JFETIDSSVPVPVP第24页/共41页跳转到目录页各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (b)输出特性结型vGS和vDS相反增强型vGS同vDS同极性耗尽型vGS任意第25页/共41页跳转到目录页作业作业:P249:5.1.1，5.1.4P251:5.3.4练习练习:P249:5.1.2P251:5.3.5第26页/共41页跳转到目录页5.4 FET放大电路放大电路5.4.1 Common-Source Amplifier（共源）5.4.2 Common-Drain Amplifier（共漏）5.4.3 Comparison of Three Basic Amplifier Configurations （三种组态比较）第27页/共41页跳转到目录页 BJT FETThe type is different CCCS VCCSBias circuit is different 第28页/共41页跳转到目录页5.4.1 共源放大电路（共源放大电路（CSCS）CS CE要求：要求：静动态分析静动态分析JFET 耗尽型耗尽型MOS第29页/共41页跳转到目录页(1)(1)静态分析静态分析 Q计算：计算：自偏压电路自偏压电路VGS=VGVS=0ID RID=IDSS1(VGS/VP)2VDS=VDDID(Rd+R)Review:Q(BJT):(IB,IC,VCE)（Q：VGS,ID,VDS）=ID R第30页/共41页跳转到目录页(2)(2)交流分析交流分析FET 小信号等效电路小信号等效电路第31页/共41页跳转到目录页(2)(2)交流分析交流分析 Small-signal voltage gain（Av）Input resistanceOutput resistance去除Cs？第32页/共41页跳转到目录页分压式偏置电路分压式偏置电路CDCC(1)(1)静态分析静态分析5.4.2 共漏放大电路（共漏放大电路（CDCD）VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDRID=IDSS1(VGS/VP)2VDS=VDDIDRIG0第33页/共41页跳转到目录页(2)(2)AC Analysis Small-signal voltage gain Input resistance第34页/共41页跳转到目录页 Output resistance第35页/共41页跳转到目录页5.4.3 三种组态放大电路比较三种组态放大电路比较BJT-FETThe small-signal characteristics(交流指标交流指标)第36页/共41页跳转到目录页CE/CC/CBCE/CC/CB CS/CD/CGCS/CD/CGRi CS：Rg1/Rg2CD：Rg+(Rg1/Rg2)CG：R/(1/gm)Ro CS：RdCD：R/(1/gm)CG：Rd第37页/共41页跳转到目录页*Devices：FET1.Class(type)：(1)Carrier involved (2)Physical structure (3)Operation N-channel MOSFET Enhancement-mode P-channel JFET Depletion-modeVCCS（Three regions）2.I-V Characteristics3.Parameters：gm、VT（VP）Summary：*Circuits：Three configurations,two biasing circuits5.5 Summary and Requirements Devices and Circuits第38页/共41页跳转到目录页Circuits：DC and AC analysis for CS and CD circuitsRequirementsDevice and CircuitsDevices：I-V Characteristics and parameters第39页/共41页跳转到目录页作业：作业：P251:5.2.9P254:5.5.4（multistage amplifier）Multisim:NMOS共源放大电路增强型增强型MOSFET的的Q计算方法（计算方法（避免解方程避免解方程）p212 例5.2.1、P213例5.2.2&P214例5.2.3：已知：已知VT，KnP203(5.1.6)（1）求VGS代入求ID VDS (例例5.2.1)（2）已知ID 代入求VGS (例例5.2.2;例例5.2.3)练习：练习：P241:Fig.5.5.1（多级放大器方法）（多级放大器方法）第40页/共41页跳转到目录页（1）在T1 位置上画出合适的FET；（2）若T1的漏极电位VD=14V，其gm=3ms，求T1的静态值 ID、VDS、VGS？（3）若T2的=50，VBE=0.6 V，求T2的静态值IB、IC、VCE？（4）画出微变等效电路，并求AV、Ri、RO；（5）求C3引起的 fL。两级电压放大电路如下图所示。第41页/共41页