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掌握内容： JFET 特性的比较 理解内容： JFET 的特性及参数 了解内容： JFET 的结构、工作原理； 重 点： NMOSFET 及其共源放大电路（ CS 电路）

掌握内容： JFET 特性的比较 理解内容： JFET 的特性及参数 了解内容： JFET 的结构、工作原理； 重 点： NMOSFET 及其共源放大电路（ CS 电路） 难 点： N 沟道增强型 MOSFET 的工作原理 本章学时： 6. 第四章　场效应管放大路. 第四章　场效应管放大路. 主要内容：. 4.1 结型场效应管. 4.2 MOS 场效应管. 4.3 场效应管的主要参数. 4.4 场效应管放大电路. 小结. 引 言. 场效应管 FET ( F ield E ffect T ransistor ). 类型：.

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掌握内容： JFET 特性的比较 理解内容： JFET 的特性及参数 了解内容： JFET 的结构、工作原理； 重 点： NMOSFET 及其共源放大电路（ CS 电路）

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Presentation Transcript

  1. 掌握内容：JFET特性的比较 理解内容：JFET的特性及参数 了解内容：JFET的结构、工作原理； 重 点：NMOSFET及其共源放大电路（CS电路） 难 点：N沟道增强型MOSFET的工作原理 本章学时：6 第四章　场效应管放大路

  2. 第四章　场效应管放大路 主要内容： 4.1 结型场效应管 4.2 MOS 场效应管 4.3 场效应管的主要参数 4.4 场效应管放大电路 小结

  3. 引 言 场效应管 FET(Field Effect Transistor) 类型： 结型 JFET(Junction Field Effect Transistor) 绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)

  4. 特点： 1. 单极性器件(一种载流子导电) 2. 输入电阻高 (107  1015 ，IGFET 可高达 1015 ) 3. 工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低

  5. 4.1 结型场效应管 1. 结构与符号 P 沟道 JFET N 沟道 JFET

  6. 2. 工作原理 预夹断 uGS 0，uDS> 0 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断。 此时uGD = UGS(off)； 当 uDS，预夹断点下移。

  7. iD iD 0 V IDSS – 1 V – 2 V uGS uGS = – 3 V uDS – 3 V 3. 转移特性和输出特性 UGS(off) O O 当 UGS(off)uGS  0 时,

  8. S D G N+ N+ D B G 耗 尽 层 B S 4.2 MOS 场效应管 一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi— FET) 1. 结构与符号 S — 源极 Source 在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层 在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G 用金属铝引出 源极 S 和漏极 D 用扩散的方法 制作两个 N 区 G — 栅极 Gate P 型衬底 (掺杂浓度低) D — 漏极 Drain

  9. 2. 工作原理 反型层 (沟道) 1)uGS对导电沟道的影响(uDS = 0)

  10. 1)uGS对导电沟道的影响(uDS = 0) a.当 UGS = 0，DS 间为两个背对背的 PN 结； b.当 0 < UGS < UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引P 区中电子形成离子区(耗尽层)； c.当 uGS UGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面， 形成导电沟道。 uGS越大沟道越厚。

  11. 2)uDS对iD的影响(uGS > UGS(th)) DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。 预夹断(UGD =UGS(th))：漏极附近反型层消失。 预夹断发生之前： uDS iD。 预夹断发生之后：uDS iD 不变。

  12. iD /mA 4 3 2 1 uGS /V 2 4 6 3. 转移特性曲线 UDS = 10 V 当 uGS > UGS(th)时： 开启电压 UGS (th) O uGS = 2UGS(th)时的iD 值

  13. iD /mA 8 V 6 V 4 V uGS = 2 V uDS /V 4. 输出特性曲线 可 变 电 阻 区 恒流区 放大区 饱和区 O 截止区 uDS < uGS  UGS(th) 可变电阻区 uDS iD，直到预夹断 uDS，iD不变 饱和(放大区) uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变 uGS UGS(th)全夹断 iD = 0 截止区

  14. D B G S 二、耗尽型 N 沟道 MOSFET Sio2绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD， uGS UGS(off)时，全夹断。

  15. iD /mA uGS /V iD /mA 2 V 0 V  2 V uGS =  4 V uDS /V O 二、耗尽型 N 沟道 MOSFET IDSS 夹断 电压 饱和漏 极电流 O UGS(off) 输出特性 转移特性 当 uGS UGS(off)时，

  16. D D B B G G S S 三、P 沟道 MOSFET 耗尽型 增强型

  17. iD /mA iD iD UGS(th) uGS /V 2 – 2 O iD /mA iD iD UGS(off) uGS /V D 5 – 5 O D B D D G B S G B B S G G S S FET 符号、特性的比较 N 沟道增强型 P 沟道增强型 IDSS N 沟道耗尽型 P 沟道耗尽型

  18. iD /mA uGS = 2 V –2 V 0 V 0 V – 2 V 2 V – 5 V 5 V O uDS /V D D iD /mA iD /mA iD iD uGS = 0 V 0 V IDSS UGS(off) – 2 V 2 V G G S uGS /V S – 5 V 5 V O uDS /V – 5 O 5 N 沟道结型 P 沟道结型

  19. iD /mA IDSS uGS /V O UGS(off) 4.3 场效应管的主要参数 • 开启电压 UGS(th)(增强型) • 夹断电压UGS(off)(耗尽型) 指 uDS = 某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS值。 UGS(th) 2. 饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。

  20. iD /mA IDSS uGS /V O UGS(off) 3. 直流输入电阻 RGS 指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。 UGS(th) JFET：RGS > 107  MOSFET：RGS = 109 1015

  21. iD /mA Q uGS /V 4. 低频跨导 gm O 反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西(mS)

  22. 5. 漏源动态电阻 rds 6. 最大漏极功耗 PDM PDM = uDS iD，受温度限制。

  23. 4.4场效应管放大电路 4.4.1 场效应管放大电路的组态 4.4.2场效应管电路小信号 等效电路分析法

  24. +VDD RD C2 D + C1 + uo  G S + ui  + RG RS CS 4.4.1 场效应管放大电路的组态 共源、共漏、共栅 三种组态： 特点： 输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好 一、直流偏置电路 1. 自给偏压电路

  25. 栅极电阻 RG 的作用： (1)为栅偏压提供通路 (2)泻放栅极积累电荷 源极电阻 RS 的作用： 提供负栅偏压 漏极电阻 RD 的作用： 把 iD 的变化变为 uDS 的变化 UGSQ = UGQ–USQ= – IDQRS

  26. +VDD RD C2 RG1 D + C1 G S + uo  RG3 RL + ui  + CS RS RG2 2. 分压式自偏压电路 UGSQ > 0 调整电阻的大小，可获得： UGSQ = 0 UGSQ < 0

  27. RD iD D + uO – + VDD – G S RG RS 例 1耗尽型N沟道MOS管，RG =1M， RS= 2k，RD= 12k，VDD =20V。 IDSS =4mA，UGS(off)=– 4V，求 iD 和 uO 。 iG = 0   uGS =  iDRS

  28. 增根 uGS = – 8 V < UGS(off) iD1= 4 mA iD2= 1 mA uGS = – 2 V uDS = VDD –iD(RS + RD) = 20 – 14 = 6 (V) 在放大区 uO = VDD –iDRD = 20 – 14 = 8 (V) 例 2已知 UGS(off)=  0.8 V，IDSS = 0.18 mA， 求“Q”。

  29. +24V 10 k RD C2 200 k RG1 D + C1 G + uo  S 1 M 5 k RG3 RL + ui  2 k 64 k + RG2 10 k CS 解方程得：IDQ1 = 0.69 mA，UGSQ = –2.5V (增根，舍去) IDQ2 = 0.45 mA ，UGSQ = –0.4 V

  30. id D G + uds  + ugs  rgs gmugs S 4.4.2 场效应管电路小信号等效电路分析法 一 、场效应管等效电路分析法 小信号模型 从输入端口看入，相当于电阻rgs()。 从输出端口看入为受ugs 控制的电流源。 id = gmugs

  31. id D G iD RD + ugs  RG + uo  D RD + uO – + VDD – + ui  S gmugs G RG S RS RS VGG +  ui +  D + uO – G RD S RG id RS +  ui 例 3 gm= 0.65 mA/V，ui= 20sint (mV)，求交流输出 uo。 10 k 4 k 小信号等效电路 ui = ugs+ gmugsRS ugs= ui / (1 + gmRS) uo = – gmui RD / (1 + gmRS) = –36sin t (mV) 交流通路

  32. ii id +VDD G D RD + ugs  C2 + ui  RG1 RG3 D gmugs + uo  + C1 G + uo  S RL S RD + ui  RG3 RL RG2 RG1 + CS RS RG2 二、性能指标分析 1. 共源放大电路 RS 有 CS 时： Ri、Ro 不变 无 CS 时：

  33. ii +VDD G S RG1 D + ugs  + ui  C1 RG3 gmugs + uo  G C2 S RL RS RG3 + ui  + uo  + RG2 RG1 D RS RL RG2 2. 共漏放大电路 io Ro

  34. 第 4章 小 结

  35. 场效应管 1. 分类 N 沟道 按导电沟道分 P 沟道 增强型 绝缘栅型 (MOS) 耗尽型 按结构分 结型 (耗尽型) uGS = 0 时， iD= 0 增强型 按特性分 uGS = 0 时， iD 0 耗尽型

  36. 2. 特点 栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流 输入电阻高，工艺简单，易集成 3. 特性 由于 FET 无栅极电流，故采用转移特性和 输出特性描述

  37. iD /mA uGS /V O 不同类型 FET 转移特性比较 N 沟道 MOS 管 结型 增强型 耗尽型 (耗尽型) IDSS 开启电压 UGS(th) 夹断电压UGS(off) IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值

  38. 作业： P191 4.4.2 P192 4.4.4

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