电工学场效应精选文档.ppt

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1、电工学场效应1本讲稿第一页，共四十二页N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类：分类：2本讲稿第二页，共四十二页15.9.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 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

2、为为金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体场效应管场效应管，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 1010 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。3本讲稿第三页，共四十二页一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 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

3、极栅极 G图图 N 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SGDB4本讲稿第四页，共四十二页1.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，以以控控制制漏漏极极电流电流 ID。2.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种极极性性电压，电压，总是不导电总是不导电。SBD5本讲稿第五页，共四十二页(2)UDS=0，0 U

4、GS UT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏漏极形成电流极形成电流 ID。可变电阻区可变电阻区b.UDS=UGS UT，UGD=UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启启程程度，出现预夹断。度，出现预夹断。预夹断预夹断c.UDS UGS UT，UGD UT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，增增大大部部分分全全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，iD因而基本不变。因而基本不变。恒流区恒流区a.UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型

5、衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区7本讲稿第七页，共四十二页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 UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD。此时，此时，可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。8本讲稿第八页，共四十二页3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性UGS UT

6、时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒流区恒流区(或饱和区或饱和区)、夹断区。、夹断区。UT 2UTIDOuGS/ViD/mAO图图(a)图图(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加9本讲稿第九页，共四十二页二、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“反反型型层层”。即使即使 UGS=0 也会形

7、成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产产生生较较大的漏极电流；大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、零正、负、零均可。均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管管的符号的符号SGDB(b)输出特性输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET11本讲稿第十一页，共四十二页三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th)0当当UGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种

8、种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情情况况类似，属于破坏性击穿。类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM16本讲稿第十六页，共四十二页场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输出反相，输入输出反相，电压放大倍数大于电压放大倍数大于1；输出电阻；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于数小于1且约等于且约等于1；输出电阻小。；输出电阻小。17本讲稿第十七页，共四十二页晶体管晶体管

9、场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较18本讲稿第十八页，共四十二页噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温

10、度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管19本讲稿第十九页，共四十二页 15.9.2 场效应管放大电路场效应管放大电路1.电路的组成原则及分析方法电路的组成原则及分析方法(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流（恒流（ID）区。）区。(2)动态动态:能为交

11、流信号提供通路。能为交流信号提供通路。组成原则组成原则静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法分析方法20本讲稿第二十页，共四十二页N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管 符号及特性曲线符号及特性曲线GSDIDUDSUGSGSD21本讲稿第二十一页，共四十二页UGS=0VU DS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导跨导gm=ID/UGS ID=gm UGSid=gmugsID=gm UGS22本讲稿第二十二页，共四十二页2 场效应管的微变等效电路场效应管的微

12、变等效电路GSDSGDrDSidrDS=UDS/ID 很大，可忽略。很大，可忽略。23本讲稿第二十三页，共四十二页场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路压控电流源压控电流源（VCCS）SGDid流控电流源流控电流源(CCCS)对照对照becrbeic=ibib24本讲稿第二十四页，共四十二页3 场效应管放大电路场效应管放大电路uo+UDDRSuiCSC2C1RDRGRLGDSIDUDSIS注：栅极无电流注：栅极无电流UGSRSISRSIDUDSUDD RDID RSIS=UDD ID(RD+RS)电路中元件作用：电路中元件作用：RG栅极电阻栅极电阻RS源极电阻源极电阻RD漏极电阻漏极电阻

13、CS源极旁路电容源极旁路电容SEE P82思思考考：自自给给偏偏压压共共源源极极放放大大电电路路动动静静态态分分析析。25本讲稿第二十五页，共四十二页RLuoC2思思考考：自自给给偏偏压压共共源源极极放放大大电电路路动动静静态态分分析析。SEE P8226本讲稿第二十六页，共四十二页4 分压式偏置电路静态分析分压式偏置电路静态分析无输入信号时（无输入信号时（ui=0），估），估算：算：UDS和和 ID。uo+UDD=+20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10

14、k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4VP84例例27本讲稿第二十七页，共四十二页IG=0直流通道直流通道+UDD+20VR1RDRGR2200K51K1M10KRS10KGDSIDUDSIG计算得：计算得：28本讲稿第二十八页，共四十二页动态分析动态分析微变等效电路微变等效电路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL200K51K1M10K10KGDS10K29本讲稿第二十九页，共四十二页 动态分析：动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRL

15、DRLRD=gm UiRL 电压放大倍数电压放大倍数负号表示输出输入反相负号表示输出输入反相30本讲稿第三十页，共四十二页电压放大倍数估算电压放大倍数估算=-1.5（10/10）=-7.5RL=RD/RLR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V31本讲稿第三十一页，共四十二页ro=RD =10K SGR2R1RGRL DRLRD输入电阻、输出电阻输入电阻、输出电阻=1+0.2/0.051=1.0407M rirori=RG+R1/R2R1=200k R2=51k RG=1M

16、RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V32本讲稿第三十二页，共四十二页5 源极输出器源极输出器uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KR1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/VUDD=20VIDSS=0.9mAUGS(off)-4V33本讲稿第三十三页，共四十二页静态工作点静态工作点:计算得：计算得：IG=034本讲稿第三十四页，共四十二页uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL200K51K1

17、M10KDSC2G10K微变等效电路：微变等效电路：35本讲稿第三十五页，共四十二页微变等效电路：微变等效电路：Ui=Ugs+UoUo=Id(RS/RL)=gm Ugs RLrirogR2R1RGsdRLRS36本讲稿第三十六页，共四十二页求求riri=RG+R1/R2rirogR2R1RGsdRLRS37本讲稿第三十七页，共四十二页求求ro加压求流法加压求流法=RS1+gm RSrirogR2R1RGsdRLRS38本讲稿第三十八页，共四十二页ri=RG+R1/R2+UDD +20VuoRSuiC1R1RGR2RL200K51K1M10KDSC2G10KAu=gm RL1+gm RL=1.5

18、 (10/10)/1+1.5 (10/10)=0.88=RS1+gm RSro=10/(1+1.5 10)=0.625 k 代入数值计算代入数值计算=1+0.2/0.051=1.0407 M R1=200k R2=51k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm=1.5mA/V39本讲稿第三十九页，共四十二页例例电路如图电路如图1所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲线如图的输出特性曲线如图2所示。试分析所示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情况下三种情况下uo分别分别为多少伏？为多少伏？图图1图图2分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压U

19、GS(th)4V40本讲稿第四十页，共四十二页解解(1)ui为为0V，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 VDD 15V(2)uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V(3)uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而。因而u0 15-2.2*5 4V但是，但是，uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS=uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区41本讲稿第四十一页，共四十二页从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得uGS 10V时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为所以输出电压为42本讲稿第四十二页，共四十二页