场效应管及其放大电路.ppt

第九讲第九讲 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管1.4场效应三极管场效应三极管只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型结型场效应管场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 ID 减减小小，反反之之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.设设UDS=0，在在栅栅源源之之间间加加负负电电源源 VGG，改改变变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由由零零逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS=UGS(off)，耗耗尽尽层层合合拢拢，导导电电沟沟被被夹夹 断断，夹夹 断断 电电 压压 UGS(off)为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b)UGS 0，在在栅栅源源间间加加负负电源电源 VGG，观察观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UGS(off)|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变 UGS ，改改变变了了 PN 结结中中电电场场，控控制制了了 ID，故故称称场场效效应应管管或或电电压压控控控控元元件件；(2)结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压，使使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线三、特性曲线1.转移特性转移特性(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)O UGSIDIDSSUGS（off）图图 1.4.6转移特性转移特性UGS=0，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS=UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UGS（off)(ID=0 时的时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA1.转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.漏极特性漏极特性当当栅栅源源 之之间间的的电电压压 UGS 不不变变时时，漏漏极极电电流流 ID 与与漏漏源源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结结型型场场效效应应管管转转移移特特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏漏极极特特性性也也有有三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区和和击击穿穿区。区。2.漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA图图 1.4.6(b)漏极特性漏极特性场场效效应应管管的的两两组组特特性性曲曲线线之之间间互互相相联联系系，可可根根据据漏漏极极特性用作图的方法得到相应的转移特性。特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS/VUDS=15 V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结结型型场场效效应应管管栅栅极极基基本本不不取取电电流流，其其输输入入电电阻阻很很高高，可可达达 107 以以上上。如如希希望望得得到到更更高高的的输输入入电电阻阻，可可采采用用绝绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1.结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.8N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2.工作原理工作原理 绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用 UGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况，以以控制漏极电流控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.9(2)UDS=0，0 UGS UT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏极形成电流漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UGS(th)，UGD=UGS(th)靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c.UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS 逐逐渐渐增增大大时时，导导电电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。a.UDS UGS(th)P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UGS(th)(b)UGD=UGS(th)(c)UGD UGS(th)3.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UGS(th)时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区(或或饱饱和和区区)、击击穿穿区。区。UT 2UTIDOUGS/VID/mAO图图 1.4.12(a)图图 1.4.12(b)二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在 P 型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反反型层型层”。即使。即使 UGS=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产产生生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V43215101520图图 1.4.14特性曲线特性曲线1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压夹断电压 UGS(off)3.开启电压开启电压 UGS(th)4.直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控的控制作用。制作用。单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS)这这是是场场效效应应管管三三个个电电极极之之间间的的等等效效电电容容，包包括括 CGS、CGD、CDS。极极间间电电容容愈愈小小，则则管管子子的的高高频频性性能能愈愈好好。一一般为几个皮法。般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由由场场效效应应管管允允许许的的温温升升决决定定。漏漏极极耗耗散散功功率率转转化化为为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当当漏极电流漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。场场效效应应管管工工作作时时，栅栅源源间间 PN 结结处处于于反反偏偏状状态态，若若UGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情情况类似，属于破坏性击穿。况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS=0V+_ _IDUDSo o+双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较一、场效应管一、场效应管（以（以N沟道为例）沟道为例）场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（栅极（g）、）、漏极（漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管结型场效应管导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图栅栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必必须加负电压？须加负电压？VGG(uGS)VGG(uGS)UGS（off）uGDUGS（off）VGG(uGS)VDD(uDS)漏漏-源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响场效应管工作在恒流区的条件是什么场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）VGG(uGS)VDD(uDS)uGDUGS（off）VGG(uGS)VDD(uDS)预夹断预夹断uGSUGS（off）且不变且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几几乎仅仅决定于乎仅仅决定于uGS。uGSIDSSUGS（off）夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性转移特性场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且且uDSUGS（off）。为什么用转移特性描述为什么用转移特性描述uGS对对iD的的控制作用？控制作用？g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：uGS衬底衬底uGS2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。增强型管增强型管SiO2绝缘层绝缘层耗尽层耗尽层空穴空穴高高掺杂掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启uDSuGSuGSuDS增强型增强型MOS管管uDS对对iD的的影响影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？iD随随uDS的的增增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻uGSuDS耗尽型耗尽型MOS管管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道UGS（off）uGSiDUGS（t h）uGSiDMOS管的特性管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压uDSUGS（t h）iDUGS（off）UGS=0uDSiD3.场效应管的分类场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？二、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管静态工作点的设置方法 1.基本共源放大电路基本共源放大电路 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源+VDDuOVGGuIRgRd2.自给偏压电路自给偏压电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？+VDDuOuIRgRdRsRL3.分压式偏置电路分压式偏置电路哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路+VDDuOuIRg3RdRsRLRg2Rg1为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？gmUg sUg srds三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析 1.场效应管的交流等效模型场效应管的交流等效模型近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与与晶体管的晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：2.基本共源放大电路的动态分析基本共源放大电路的动态分析若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则与共射电路比较。+VDDuOVGGuiRgRdgmUg sUg sRgUoUiRd3.基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mS，则gmUg sUg sRgUoUiRs+VD DRguouiRsVGG基本共漏放大电路输出电阻的分析基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?RsgmUg s+Ug s RgUoRs四、四、复合管复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，不同类型的管子复合后，其类型决定于其类型决定于T1管。管。目的：增大目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。减小前级驱动电流，改变管子的类型。讨论一讨论一判断下列各图是否能组成复合管判断下列各图是否能组成复合管 在合适的外加电压下，在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复适的通路，才能组成复合管。合管。Ri=?Ro=?讨论二讨论二清华大学 华成英