模电四川大学.pptx

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1、P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N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)场效应管的分类：场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N N沟道器件和空穴作为载流子的P P沟道器件。第1页/共65页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管沟道增强型沟道增强型MOSFET的主要参数的主要参数沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET沟道沟道MOSFET沟道长度调制效应

2、沟道长度调制效应第2页/共65页沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常 W L 第3页/共65页剖面图符号D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？第4页/共65页金属-氧化物-半导体（MOSMOS）场效应管(Metal Oxide(Metal Oxide Semiconductor FET)Semiconductor FET)。分为 增强型 :当V VGSGS=0=0时，不存在导电沟道 N N沟道、P P沟道 耗尽型：

3、当V VGSGS=0=0时，存在导电沟道 N N沟道、P P沟道第5页/共65页2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当vGSGS=0=0时 无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当00vGS GS V VT T）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度 整个沟道呈楔形分布当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：vDS=vGS-VT第7页/共65页预夹断后，vDSDS 夹断区延长沟道电阻 iD D基本不变第8页/共65页（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，vGSGS变化时 给定一个vGS GS，就有一条不同的

4、iD D vDS DS 曲线。第9页/共65页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。第10页/共65页 可变电阻区 vDS（vGSVT）rdso是一个受vGS控制的可变电阻 式中Kn为电导常数,与场效应管的沟道长度,和宽度等参数有关,单位为mA/V2。第11页/共65页 饱和区（恒流区又称放大区）vGS GS VT，且vDSDS（v vGSGSVT）是vGSGS2 2VT时的iD D V V-I I 特性：第12页/共65页（2）转移特性）转移特性第1

5、3页/共65页沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第14页/共65页2.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （N N沟道增强型）第15页/共65页沟道沟道MOSFET第16页/共65页沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为 m当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。修正后第17页/共65页 开启电压开启电压VGS(th)(或或VT)开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅

6、源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。夹断电压夹断电压VGS(off)(或或VP)夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VGS(off)时时,漏极电流为零。漏极电流为零。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管,当当VGS=0时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数第18页/共65页 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。二、交流参数二、交

7、流参数低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。第19页/共65页三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率P PDMDM 3.3.最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4.4.最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 第20页/共65页5.2 MOSFET放大电路放大电路放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析图解分析3.小信号模型分析小信号模型分析带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路第21页/共65

8、页放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）共源极放大电路直流通路第22页/共65页假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS VT，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即第23页/共65页假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：解：例：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，第24页/共65页（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足第25页/共65页静态时，vI0 0，VG 0 0

9、，ID I电流源偏置 VS VG VGS（饱和区）（3）电流源偏置共源极放大电路第26页/共65页2.图解分析图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同 第27页/共65页3.小信号模型分析小信号模型分析（1）模型静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项 当vgs 2(2(VGSQ-VT)时，第28页/共65页0 0时高频小信号模型式中gm=2Kn(VGSVT)第29页/共65页解：例的直流分析已求得：（2）放大电路分析（例）s第30页/共65页s第31页/共65页例共漏第32页/共65页第33页/共65页交流参数归纳如下交流参数归纳如下电压放大倍数输出电阻输入电阻 Ri=Rg1/Rg2

10、 或或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2)共源极电路第34页/共65页共漏极电路电压放大倍数输出电阻输入电阻Ri=Rg+(Rg1/Rg2)第35页/共65页共栅极电路共栅极电路电压放大倍数.输入电阻输出电阻 RoRd第36页/共65页带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学end第37页/共65页5.3 结型场效应管结型场效应管的结构和工作原理的结构和工作原理的特性曲线及参数的特性曲线及参数 放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 第38页/共65页的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么

11、？第39页/共65页2.2.工作原理 v vGSGS对沟道的控制作用当v vGSGS0 0时（以N N沟道JFETJFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压v vGSGS称为夹断电压V VP P （或V VGS(off)GS(off)）。对于N N沟道的JFETJFET，V VP P 0 0。PNPN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。v vGSGS继续减小，沟道继续变窄。第40页/共65页 vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS=0时，时，vDS iD g、d间间PN结的反向电压增结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，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。沟道变窄

12、，从上至下呈楔形分布。当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变第41页/共65页 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS，iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vDS=vGS-VP 第42页/共65页综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应

13、管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么JFET的输入电阻比的输入电阻比BJT高得多？高得多？JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第43页/共65页的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 (VPvGS0)第44页/共65页与MOSFET类似3.主要参数主要参数的特性曲线及参数的特性曲线及参数第45页/

14、共65页放大电路的分析法1、直流分析 对于JFETJFET放大电路，除了可采用MOS管放大电路的偏置电路外，还可采用自偏置电路注意：该偏置电路不适用于增强型注意：该偏置电路不适用于增强型FET第46页/共65页2 2、JFETJFET小信号模型（1）低）低频模型模型第47页/共65页（2）高）高频模型模型第48页/共65页3 3、动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型第49页/共65页（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rds，由输入输出回路得由输入输出回路得则则通常通常则则第50页/共65页*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半

15、导体半导体场效应管场效应管不作教学要求，有兴趣者自学第51页/共65页1.1.双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管结构结构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 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 多子漂移多子漂移输入量输入量 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

16、电压控制电流源VCCS(gm)5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较第52页/共65页 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温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 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成第53页/共65页2.2.各种放大器件电路性能比较第54页/共65页组态对应关系：组态对

17、应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：第55页/共65页输出电阻：输出电阻：BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：第56页/共65页 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知 试求电路的中频增益、输试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。入电阻和输出电阻。第57页/共65页例题例题则电压增益为则电压增益为由于由于则则根据电路有根据电路有第58页/共65页例：例：设 gm=3mA/V，=50，rbe

18、=1.7k前级:场效应管共源极放大器后级:晶体管共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+UCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21M第59页/共65页（1）估算各级静态工作点）估算各级静态工作点:（略）（略）（2）动态分析）动态分析:微变等效电路微变等效电路首先计算第二级的输入电阻：首先计算第二级的输入电阻：ri2=R3/R4/rbe=82/43/1.7=1.7 k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds第60页/共65页第二步：计算各级电压放大倍数第二步：计算各级电压放大倍数R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds第61页/共65页第三步：计算输入电阻、输出电阻第三步：计算输入电阻、输出电阻Ri=R1/R2=3/1=0.75M Ro=RC=10k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds第62页/共65页第四步：计算总电压放大倍数第四步：计算总电压放大倍数Au=Au1Au2=(-4.4)(-147)=647R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds第63页/共65页作 业第64页/共65页感谢您的观看。第65页/共65页