模电场效应管.pptx

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1、沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET1、结构和符号 P 型衬底N+N+sgdB g gd ds sB B g gd ds sB BN N沟道沟道增强型增强型N N沟道沟道耗尽型耗尽型第1页/共126页2 2、工作原理（、工作原理（N N沟道增强型沟道增强型）（1）、VGS=0，没有导电 沟道源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的。因此漏源之间的电阻很大，即没有导电沟道，没有导电沟道，iD0 0。P P 型衬底型衬底N N+N N+s sg gd dB BiD 0第2页/共126页2 2、工作原

2、理（、工作原理（N N沟道增强型沟道增强型）（2）、VDS=0，VGS 对导电 沟道的影响P P 型衬底型衬底N N+N N+s sg gd dB BV VGGGGV VGSGSVVT T时，导电沟道开始形成时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电压的作用才形成导电沟道的这种依靠栅源电压的作用才形成导电沟道的FETFET称为增称为增强强FETFET。在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压V VGSGS叫做开启叫做开启电压电压V VT T第3页/共126页PNNsgdBV VGGGGV VDSDSPNNsgdBV VGGGGV VDSDSPNNsgdBV VGGGGV VDSDSV VGDGDVVT

3、TV VGDGD=V=VT TV VGDGDVVVT T时相似，可时相似，可形成导电沟道。当外加形成导电沟道。当外加V VGSGS00时，使沟道变宽，时，使沟道变宽，V VGSGS0 0时，使沟道变窄，时，使沟道变窄，从而使漏极电流减小。当从而使漏极电流减小。当 V VGSGS减小到某值时，以致减小到某值时，以致感应的负电荷消失，耗尽感应的负电荷消失，耗尽P 型衬底N+N+sgdB+区扩展到整个沟道，沟道完全被区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压，也夹断。这时即使有漏源电压，也不会有漏极电流。此时的栅源电不会有漏极电流。此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）压称为夹断电压（截止

4、电压）V VP P。在饱和区内，第10页/共126页沟道耗尽型MOS管2、特性曲线在饱和区内，/VIDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。第11页/共126页沟道沟道MOSFETMOSFET管管1、结构和符号 N 型衬底P+P+sgdB g gd ds sB BP P沟道沟道增强型增强型 g gd ds sB BP P沟道沟道耗尽型耗尽型第12页/共126页对增强型MOS管，沟道产生的条件是：可变电阻区与饱和区的界线为:在饱和区内（iD假定正向为流入漏极）：PMOS管正常工作时，VDS和 VT必为负值，电流方向与NMOS管相反。第13页/共126页在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区

5、时，漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的输出特性还应考虑沟道长度调制效应，即VGS固定，VDS增加时，iD会有所增加。输出特性的每根曲线会向上倾斜。因此，考虑到沟道长度调制参数，iD式子应修正为对于典型器件近似有沟道长度L单位为m。第14页/共126页（1）开启电压 VT:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如50A）时的VGS。这是增强型FET的参数。（2）夹断电压 VP:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如20A）时的VGS。这是耗尽型FET的参数。（3）饱和漏极电流 IDSS:VGS=0且 VDS VP 时对应的漏极电流。常令 VDS 10V，VGS

6、=0测出的iD就是。这是耗尽型FET的参数。（4）直流输入电阻RGD:漏源间短路，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻，MOS管的RGS可达109 1015。一、直流参数二、交流参数（1）输出电阻:MOSFET的主要参数（见P208210）第15页/共126页当不考虑沟道的调制效应（0）时，当考虑沟道的调制效应（0）时，对增强型MOS管可导出因此，是一个有限值，一般在几十千欧到几百千欧之间。（2）低频跨导gm:低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。对N沟道增强型MOSFET17式近似估算第16页/共126页考虑到 和上式又可改写为上式表明，iD

7、越大，gm愈大。三、极限参数（1）最大漏极电流IDM（2）最大漏源电压V（BR）DS（3）最大栅源电压VGS（BR）（4）最大耗散功率PDM第17页/共126页552 2 场效应管放大电场效应管放大电路路一、直流偏置电路及静态分析一、直流偏置电路及静态分析1 1、直流偏置电路、直流偏置电路（1 1）简单的共源放大电路）简单的共源放大电路（N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管）管）U UOOR Rg2g2V VDDDDR RL L+-R Rd di iD DR Rg1g1U Ui iC Cb1b1C Cb2b2R Rg2g2V VDDDDR Rd dR Rg1g1直流通路假设管的开启电压为V

8、T，NMOS管工作于饱和区，则第18页/共126页综上分析，对于N沟道增强型MOS管的直流计算，可采取如下步骤：设MOS管工作于饱和区，则有 VGSQ V VT T，IDQ 0 0 ,且VDSQ（VGSQ V VT T）.利用饱和区的电流电压关系曲线分析电路。如果出现VGSQV VT T，则MOS管可能截止，如果VDSQ（VGSQ V VT T），则MOS管可能工作在可变电阻区。如果初始假设被证明是错误的，则必需作出新的假设，同时重新分析电路。P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要注意其电源极性与电流方向不同。第19页/共126页（2 2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOSNMOS共共源放

9、大电路源放大电路由图得当NMOS管工作于饱和区，则有R RR Rg2g2V VDDDD+-R Rd di iD DR Rg1g1v vi iC Cb1b1C Cb2b2-V-VSSSSRS1 1、直流偏置电路、直流偏置电路第20页/共126页例如图已知NMOS管参数：VT=1V,Kn=160A/V2,VT=1V,Kn=160A/V2,VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试求电路参数。解：首先假设管工作于饱和区，运用下式求得则计算计算是否满足饱和条件：确定分析正确与否。第21页/共126页 （3 3）静态工作点的确定）静态工作点的确定SDQDDGSQRIVRRRU-+=

10、2122)1(-=TGSQDODQUUII联立方程求解得联立方程求解得U UGSQGSQ和和I IDQDQ。V VDDDDR RL L+-R RGGR RD Di iD DR R1 1R R2 2R RS SC Ce eU Ui iU UOO实际实际N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管放大电路分析管放大电路分析：第22页/共126页2、图解分析与BJT放大电路的图解分析类似。先求VGS，然后作直流负载线，其与输出特性VGS曲线的交点即为静态工作点。然后作交流负载线，即可分析其动态情形。教材上的电路是特例，VGS已知，直流负载线与交流负载线相同。第23页/共126页第24页/共126页第25

11、页/共126页3 3、小信号模型分析、小信号模型分析如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时，和BJT一样，将场效应管也看作一个双口网络，对N沟道增强型场效应管，可近似看成iD不随VDS式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ;第二项是漏极信号电流id，它同vgs第三项当vgs是正弦波时，输出电压将产生第26页/共126页谐波或非线性失真。我们要求第三项必需远小于第二项，即这也就是线性放大器必需满足的小信号条件。据此，忽略第三项可得考虑到NMOS管的栅流为0，栅源间的电阻很大，可看成开路，而 因此可得NMOS管的低频小信号模型：第27页/共126页3 3、小信号模型分析、小信号模型分析 g gd

12、 ds sB Bs sg gd d+-+-V Vgsgs g gmmV Vgsgs V Vdsds I Id d 低频模型低频模型a a考虑0场效应管的输出电阻rds为有限值时，其低频模型如右模型bg gd d+-+-V Vgsgs g gmmV Vgsgs V Vdsds I Id d 低频模型低频模型b brdss第28页/共126页3 3、小信号模型分析、小信号模型分析 g gd ds sB B在Vbs=0时，可得高频小信号模型如下，图中rgs可看作无限大，可忽略。g gs sd d+-+-g gmmV Vgsgs V Vdsds I Id d rgsrdsCgdCgsCds高频模型高频

13、模型Cgs+Cgb第29页/共126页对于后面介绍的结型场效应管，其低频和高频小信号模型分别对应于如上的低频模型图b第30页/共126页R RR Rg2g2V VDDDD+-R Rd di iD DR Rg1g1v vi iC Cb1b1C Cb2b2-V-VSSSSRS图5.2.2第31页/共126页第32页/共126页第33页/共126页3 3、三种基本放大电路的性能比较、三种基本放大电路的性能比较(见见P221P221表表5 5.2.1).2.1)第34页/共126页5.3 结型场效应管 结构 工作原理 输出特性 转移特性 主要参数 JFET的结构和工作原理 JFET的特性曲线及参数 第

14、35页/共126页 5 53 3 结型场效应管结型场效应管（JFETJFET）N N型型 沟沟 道道P P+P P+d ds sg gdgsN N沟道沟道JFETJFET结构和符号结构和符号1 1、结构与符号、结构与符号dgsP P沟道沟道JFETJFET符号符号一、JFET的结构和工作原理 JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。第36页/共126页 源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示 P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号JFET的结构和工作原理4.1 结型场效应管1.结构#符号中的箭头方向表示栅结正向偏置时，栅符号中的箭头方向表示

15、栅结正向偏置时，栅极电流的方向是由极电流的方向是由P P指向指向N N。第37页/共126页(1)、vDS=0，vGS对导电沟道的影响2 2、工作原理（、工作原理（以以N N沟道为例，工作时沟道为例，工作时vGS必需为负必需为负 ）NP+P+dsgvGS=0VGGP+P+dsgvGS 0，vGS 对导电沟道的影响NdsgVDDdsVDDdNsVDDVDDdsA(a)(b)(c)(d)A点处：第41页/共126页上述分析表明，增加vDS，楔形导电沟道又阻碍漏极电流iD的提高，但在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故iD随vDS升高几乎成比例地增大，构成输出特性曲线

16、的上升段。当vDS增加到两耗尽层在A点相遇时，称为预夹断，此时A点耗尽层两边的电位差vGD用夹断电压VP来描述。在预夹断点A处，有如下关系：当 时，有第42页/共126页沟道一旦在A点预夹断后，随着vDS升高,夹断长度会增加，亦即A点将向源极方向延伸。但从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本不随vDS改变而变化，所以，iD不随vDS升高而上升，漏极电流趋于饱和。如果栅源间接一可调负电源，由于栅源电压愈负，耗尽层愈宽，沟道电阻就愈大，相应的iD就愈小。因此改变栅源电压可得一族曲线。第43页/共126页2.工作原理4.1 结型场效应管 VGS对沟道的控制作用当VGS0时（以N沟道JFET为例）整体

17、理解 当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP 0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。VGS继续减小，沟道继续变窄。VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDS ID G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS 夹断区延长沟道电阻ID基本不变 VGS和VDS同时作用时当VP VGS1 MHz)。(1)确定电路方案；(2)选用放大器件和电路元件参数；(3)导出其中频区源电压增益AVSM、Ri和RO的表达式；(4)算出电路的上限截止

18、频率。解：(1)确定电路方案JFET噪声低，而由它构成的倒相电压放大电路具有电压增益较高和输入电阻高的特点，因此第一级选用JFET共源电路；为消除密勒效应，第二级选用BJT电流跟随器。整个电路为共源共基串接组态，如图551所示。第65页/共126页T1选用JFET CS146,其工作点上的参数为：gm1=18mS,Cgs=18pF,Cgd=0.9pF;T2选用BJT 3DG4,其工作点上的参数为：=100,其它电路元件参数如图所示。第66页/共126页第67页/共126页（3）求AVSM、Ri和RO先画出中频小信号模型电路图如下：第68页/共126页由图可得2式正好说明第二级为电流跟随器。因此

19、有故第69页/共126页考虑到即整个电路的中频区源电压增益近似等于共源电路的电压增益，后面看到，因无密勒效应，电路上限频率得以提高。第70页/共126页电路的输入电阻和输出电阻为：Ri RgRO Rc(4）求 上限频率第71页/共126页第72页/共126页(a)由于R2很小，因此对输入电路的作用，可近似看作Cgs与Rg并联，而Rg Rs可看作开路。其次 ，得（b）图第73页/共126页第74页/共126页由图b得由BJT发射极端看进去的输出入纳为于是图b可变为图C第75页/共126页考虑到第76页/共126页密勒电容求法：由P552定理第77页/共126页据此可得d图这说明密勒效应对输入回路

20、影响较小。而对输出回路的密勒效应较明显，但比起 仍可忽略。第78页/共126页由d图可知，其高频段电压增益具有三阶低通特性的形式，故得第79页/共126页第80页/共126页第81页/共126页小结1.第4章讨论的BJT是电流控制电流器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件；而FET是电压控制电流器件，只依靠一种载流子导电，因而属于单极型器件。虽然这两种器件的控制原理有所不同，但通过类比可发现，组成电路的形式极为相似，分析的方法仍然是图解法(亦可用公式计算)和小信号模型分析法。第82页/共126页2.在FET放大电路中，VDS的极性决定于沟道性质，N(沟道)为正，P(沟道)为负；为了建立合适

21、的偏置电压VGS，不同类型的FET，对偏置电压的极性有不同要求：增强型MOSFET的VGS与VDS 同极性，耗尽型MOSFET的VGS 可正、可负或为零，JFET的VGS 与 VDS极性相反。3.按三端有源器件三个电极的不同连接方式，两种器件(BJT，JFET、MESFET和MOSFET)可以组成六种组态。但依据输出量与输入量之间的大小与相位关系的特征，这六种组态又可归纳为三种组态，即反相电压放大器、电压跟随器和电流跟随器。这为放大电路的综合设计提供了有实用意义的思路。第83页/共126页4.由于FET具有输入阻抗高、噪声低(如JFET)等一系列优点，而BJT 的高，若FET和BJT结合使用，

22、就可大为提高和改善电子电路的某些性能指标。BiFET模拟集成电路是按这一特点发展起来的，从而扩展了FET的应用范围。5.由于GaAs的电子迁移率比硅大约5-10倍，高速CaAs MESFET正被用于高频放大和高速数字逻辑电路中，其互导gm可达100 mS，甚至更高。第84页/共126页6.MOS器件主要用于制成集成电路。由于微电子工艺水平的不断提高，在大规模和超大规模模拟和数字集成电路中应用极为广泛，同时在集成运算放大器和其他模拟集成电路中也得到了迅速的发展，其中BiCMOS集成电路更具有特色，因此，MOS器件的广泛应用必须引起读者的高度重视。第85页/共126页场效应管放大电路一章习题选讲一

23、般的问题分析：1，直流偏置电路 由于FET是电压控制器件，要求建立合适的直流偏置电压VGS。采用的方法主要有自偏压和分压式自偏压，前者适用于耗尽型FET，后者适用于各种类型的FET，应用较广。2静态分析 和双极性三极管一样，对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或解析法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。注意的是解析法要验证管是否工作在饱和区。第86页/共126页3动态分析 场效应管放大电路中除偏置电路元件及电源外，还有隔直流电容和旁路电容等元件，它们的作用与双极型三极管阻容耦合放大电路中的相同。在正确偏置的基础上，根据动态信号(变化量)的传输方式，场效应管放大电路也有三种

24、基本组态，即共源极、共漏极和共栅极电路。对场效应管动态工作情况的分析也可采用图解法或微变等效电路法。对于每一种接法的电路，求解场效应管放大电路的性能指标的方法均与双极型三极管放大电路相似。第87页/共126页 场效应管放大电路的静态分析 场效应管是电压控制器件，它没有偏流，关键是建立适当的栅源偏压UGS。1.自偏压电路分析 结型场效应管常用的自偏压电路如图5.22所示。在漏极电源作用下 这种电路不宜用增强型MOS管，因为静态时该电 路不能使管子开启（即ID=0）。第88页/共126页 图5.22 自偏压 电路图 第89页/共126页 图5.23 分压式偏置电路 式中UG为栅极电位，对N沟道耗尽

25、型管，UGS0，所以，IDRSUG；对N沟道 增 强 型 管，UGS0，所 以IDRSUG。2.分压式自偏压电路第90页/共126页第91页/共126页第92页/共126页第93页/共126页使漏源电压为负第94页/共126页关键是记住第95页/共126页第96页/共126页第97页/共126页其余指标求解与上例同第98页/共126页 534 试在具有四象限的直角坐标上分别画出各种类型FET(包括N沟道、P沟道MOS增强型和耗尽型，JFETP沟道、N沟道耗尽型）转移特性示意图，并标明各自的开启电压或夹断电压。第99页/共126页第100页/共126页535 四个FETa,b,c,d所示，其中漏

26、极电流iD的假定正向是它的实际方向。试问它们各是哪种类型的FET?第101页/共126页第102页/共126页-4511 图题511所示为MOSFET的转移特性，请分别说明各属于何种沟道。如是增强型，说明它的开启电压VT?如是耗尽型，说明它的夹断电压VP?(图中iD的假定正向为流进漏极)第103页/共126页-4解：由图题511可见图a为N沟道耗尽型MOSFET，其VP=3 V；图 b为P沟道耗尽型MOSFET，其VP=2 V；图c为P沟道增强型MOSFET，其VT=4 V。第104页/共126页gm1=1 mS，gm20.2 mS，且满足1 gm1 rds1和1 gm2 rds2，试求AV=

27、VO/Vi第105页/共126页g g2 2d d2 2+-g gmmV Vgsgs V Vdsds I It t rdss2+-V Vt t 对T2，从S2看进去的等效电阻设为R，求的电路为第106页/共126页g g2 2d d2 2+-g gmmV Vgsgs V Vdsds I It t rdss2+-V Vt t 第107页/共126页gm1=1 mS，gm20.2 mS，且满足1 gm1 rds1和1 gm2 rds2，试求AV=VO/Vi图解5.2.8第108页/共126页gm1=1 mS，gm20.2 mS，且满足1 gm1 rds1和1 gm2 rds2，试求AV=VO/Vi

28、第109页/共126页第110页/共126页第111页/共126页第112页/共126页（3）第113页/共126页第114页/共126页管子漏极对地的输出电阻大为增加，可作电流源用。第115页/共126页第116页/共126页图题5.5.2第117页/共126页求增益的等效电路图第118页/共126页解（1）(5.5.2-2)(5.5.2-3)从整个回路看第119页/共126页故(2)求输出电导第120页/共126页求电导的等效电路图第121页/共126页解得又故有由图有第122页/共126页第123页/共126页第124页/共126页影响，即大大提高了输入电阻。见P221表式：密勒效应使CM1很小,=（1Av)Cgd第125页/共126页感谢您的观看。第126页/共126页