各种场效应管的原理和特性曲线公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 场效应管,重要内容,3.0,概述,3.1,场效应管,工作原理,3.2 场效应管特性曲线,3.3,场效应管使用,注意事项,3.4,场效应管,等效电路,3.5 场效应管电路分析措施,第1页,第三章 场效应管,3.0,概 述,场效应管是一种运用电场效应来控制电流半导体器件,也是一种具有正向受控作用半导体器件。它体积小、工艺简朴，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路重要有源器件。,场效应管与三极管重要辨别：,场效应管输入电阻远不小于三极管输入电阻。,场效应管是单极型器件（,三极管是双极型器件,）。,场效应管受温度影响小（,只有多子漂移运动形成电流,）,第2页,一、场效应管种类,第三章 场效应管,按构造不一样样分为,绝缘栅型场效应管,MOSFET,结型场效应管,JFET,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,MOSFET,（按工作方式不一样）,耗尽型（,DMOS,）,增强型（,EMOS,）,沟道：指载流子流通渠道、途径。N沟道是指以N型材料构成区域作为载流子流通途径；P沟道指以P型材料构成区域作为载流子流通途径。,第3页,第三章 场效应管,二、场效应管构造示意图及其电路符号,JFET构造示意图及电路符号,S,G,D,S,G,D,P,+,P,+,N,G,S,D,N,沟道,JFET,P,沟道,JFET,N,+,N,+,P,G,S,D,返回,第4页,耗尽型场管构造示意图及其电路符号,第三章 场效应管,S,G,U,D,I,D,S,G,U,D,I,D,P,P,+,N,+,S,G,D,U,N,+,N,沟道,DMOS,N,N,+,P,+,S,G,D,U,P,+,P,沟道,DMOS,DMOS管构造,V,GS,=0,时，导电沟道已存在,返回,第5页,第三章 场效应管,增强型场管构造示意图及其电路符号,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,N,N,+,P,+,S,G,D,U,P,+,S,G,UD,S,G,U,D,返回,第6页,场效应管电路符号,第三章 场效应管,S,G,D,S,G,D,S,G,U,D,I,D,S,G,U,D,I,D,U,S,G,D,I,D,S,G,U,D,I,D,N,E,MOS,N,D,MOS,P,D,MOS,P,E,MOS,MOS,场效应管,MOSFET,结型场效应管,JFET,返回,总结,第7页,总结：,第三章 场效应管,场效应管电路符号可知：不管是JFET或是MOSFET，它均有三个电极：栅极G、源极S、漏极D。它们与三极管三个电极一一对应（其实它们之间对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成电路特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）：,G-B S-E D-C,N沟道管子箭头是指向沟道，而P沟道管子箭头是背离沟道。,返回,第8页,3.1,场效应管工作原理,第三章 场效应管,JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是运用电场效应来控制电流，即都是运用变化栅源电压vGS，来变化导电沟道宽度和高度，从而变化沟道电阻，最终抵达对漏极电流iD 控制作用。不一样样之处仅在于导电沟道形成原理不一样样。(下面我们以N沟道JFET、N沟道增强型为例进行分析）,返回,第9页,第三章 场效应管,JFET,管,工作原理,N,沟道,JFET,管外部工作条件,VDS 0(保证栅漏PN结反偏),VGS 0(保证栅漏PN结反偏)。,U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。,V,GS,0,(,形成导电沟道,),P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,-+,-+,V,GS,栅,衬之间,相当于以,SiO,2,为介质平板电容器,。,增强型管子沟道形成原理,第14页,第三章 场效应管,3.1.2 N,沟道,EMOSFET,沟道形成原理,假设,V,DS,=0,，,讨论,V,GS,作用,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,=0,-+,V,GS,形成空间电荷区,并与,PN,结相通,V,GS,衬底表面层中,负离子,、电子,V,GS,开启电压,V,GS(th),形成,N,型导电沟道,表面层,n,p,V,GS,越大,，,反型层中,n,越多,，,导电能力越强,。,反型层,返回,第15页,第三章 场效应管,3.2 场效应管伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）,由于场效应管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=,常数,转移特征,：,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=,常数,输出特征,：,+,T,V,DS,I,G,0,V,GS,I,D,+,-,-,转移特性与输出特性反应场效应管同一物理过程，它们之间可以互相转换。,NDMOSFET特性曲线,NJFET特性曲线,第16页,输出特性曲线可划分四个区域：,ID只受UGS控制，而与UDS近似无关，体现出类似三极管正向受控作用。,非饱和区,（又称可变电阻区）,特点：,ID同步受UGS与UDS控制。,I,D,/,mA,U,DS,/,V,0,U,DS,=U,GS,U,T,U,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,NEMOS管输出特性曲线,非饱和区,、,饱和区,、,截止区,、,击穿区,。,饱和区,（又称恒流区）,特点：,VGS(th)启动电压，开始有ID时对应VGS值,截止区（ID=0如下区域）,击穿区,I,G,0,，,I,D,0,第一章 半导体器件,返回,第17页,第三章 场效应管,非饱和区,特点,：,ID同步受VGS与VDS控制。,当VGS为常数时，VDSID近似线性，体现为一种电阻特性；,I,D,/mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,当VDS为常数时，VGS ID，体现出一种压控电阻特性。,沟道预夹断前对应工作区。,条件,：,V,GS,V,GS(th),V,DS,V,GS(th),V,DS,V,GS,V,GS(th),考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS增长略有上翘。,注意：饱和区（又称恒流区）对应三极管放大区。,饱和区,饱和区工作时数学模型,返回,第19页,第三章 场效应管,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则,I,D,修正方程：,工作在饱和区时，,MOS,管正向受控作用，服从平方律关系式：,其中：称沟道长度调制系数，其值与l 有关。,一般 =(0.005 0.03)V-1,返回,第20页,第三章 场效应管,特点,：,相称于MOS管三个电极断开。,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,沟道未形成时工作区,条件,：,V,GS,0,，,V,GS,正、负、零均可,。,外部工作条件,：,DMOS管在饱和区与非饱和区ID表达式与EMOS管相似。,PDMOS,与,NDMOS,差异仅在于电压极性与电流方向相反。,NDMOS管伏安特性,返回,第23页,第三章 场效应管,NJFET管伏安特性,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(off),V,GS,=0V,-,2V,-,1.5V,-,1V,-,0.5V,I,D,=,0,时对应,V,GS,值,夹断电压,V,GS,（,off,）,。,V,GS,=,0,时对应,I,D,值,饱和漏电流,I,DSS,。,PJFET,与,NJFET,差异仅在于电压极性与电流方向相反,在饱和区时,数学模型,：,返回,第24页,第三章 场效应管,V,DS,极性取决于沟道类型,N,沟道：,V,DS,0,，,P,沟道：,V,DS,0,I,D,(,m,A),V,GS,(,V),V,GS(th),V,GS(th),V,GS(off),V,GS(th),V,GS(th),V,GS(off),P,沟道,：,V,DS,V,GS,V,GS(th),，,V,GS,V,GS(th),，,假设成立,。,返回,第29页,小信号电路模型,第三章 场效应管,FET,管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,d,v,gs,-,v,ds,+,+,-,C,d,s,C,gd,C,gs,栅源极间平板电容,漏源极间电容,（漏衬与源衬之间势垒电容）,栅漏极间平板电容,简化小信号等效电路,第30页,第三章 场效应管,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,c,v,gs,-,v,ds,+,+r,ds,为,场效应管,输出电阻,：,由于场效应管IG0，因此输入电阻rgs。,而三极管发射结正偏，,故输入电阻,r,be,较小,。,与三极管,输出电阻表示式,相同,。,r,be,r,ce,b,c,e,i,b,i,c,+,-,-,+,v,be,v,ce,i,b,MOS,管简化小信号电路模型,(,与三极管对照,),返回,g,m,含义,第31页,第三章 场效应管,FET,跨导,得,一般MOS管跨导比三极管跨导要小一种数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。,(MOSFET,管,）,(JFET,）,返回,第32页,第三章 场效应管,3.5 场效应管电路分析措施,场效应管电路分析措施与三极管电路分析措施相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。,场效应管估算法分析思绪与三极管相似，只是由于两种管子工作原理不一样样，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。,估算法,第33页,MOS管截止模式判断措施,假定,MOS,管工作在放大模式,：,放大模式,非饱和模式,（需重新计算,Q,点,）,N,沟道管,：,V,GS,V,GS(th),截止条件,非饱和与饱和（放大）模式判断措施,a),由直流通路写出管外电路,V,GS,与,I,D,之间关系式,。,c),联立解上述方程，选出合理一组解,。,d),判断电路工作模式,：,若V,DS,|,V,GS,V,GS(th),|,若,|,V,DS,|,V,GS,V,GS(th),|,b),利用饱和区数学模型,：,第三章 场效应管,第34页,第三章 场效应管,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。,运用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路,将FET用小信号电路模型替代,计算微变参数,g,m,、,r,ds,注：详细分析将在第四章中详细简介。,返回,第35页,第三章 场效应管,场效应管与三极管性能比较,项目,器件,电极名称,工作区,导电,类型,输入电阻,跨导,三,极,管,e,极,b,极,c,极,放大区,饱,和,区,双极型,小,大,场效应管,s,极,g,极,d,极,饱和区,非饱和区,单极型,大,小,第36页,