场效应管及其电路.ppt

第4章 场效应管及其电路,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),4.1.1 N沟道增强型场效应管(NMOS管),4.1.2 P沟道增强型场效应管(PMOS管),4.2 结型场效应管(JFET),4.2.1 结型场效应管的结构,4.2.2 结型场效应管的工作原理,4.1.3 N沟道耗尽型场效应管,4.1.4 P沟道耗尽型场效应管,4.2.3 特性曲线,4.2.4 场效应管的主要参数及使用注意事项,第4章 场效应管及其电路,4.3 场效应管放大电路,4.3.1 共源放大电路,4.3.2 共漏放大电路,4.3.3 复合互补源极跟随器,第4章 场效应管及其电路,【本章难点】MOS管的原理和转移特性及主要参数 场效应管的微变等效电路法,【本章要点】MOS管的原理、特性和主要参数 结型场效应管原理、特性及主要参数 场效应管放大电路的组成与原理,第4章 场效应管及其电路,场效应管(FET)是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电路中。场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET)两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,绝缘栅型场效应管简称MOS管，由于其内部由金属氧化物半导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分。,4.1.1 N沟道增强型场效应管(NMOS管),1结构,如图4-1（a）所示，在一块掺杂浓度较低的P型硅片上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的 区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极，作为栅极G。,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,(a)结构示意图(b)电路符号,图4-1 N沟道增强型MOS管,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,2工作原理,(1)栅源电压 时的情况,如图4-2所示，漏源之间为一条由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结，因此即使加入漏源电压，因无导电沟道形成，漏极电流。,图4-2 时的情况,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,2工作原理,如图4-3所示，由P型半导体转化成的N型薄层，被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导体N-N-N组成的导电沟道。若此时加入漏源电压，就会有漏极电流 产生。,(2)栅源电压，漏源电压 时的情况,栅源电压,漏源电压 时的情况,图4-3,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,3特性曲线,(1)转移特性曲线 转移特性曲线是指增强型NMOS管在漏源电压一定时，输出电流 与输入电压 的关系曲线，即,转移特性曲线的表达式为,是 时的 值,为开启电压。,图4-4 转移特性曲线,（4-1）,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,(2)输出特性曲线 输出特性是指增强型NMOS管在栅源电压 一定时，输出电流 与漏源电压 的关系曲线，如图4-5所示，其函数关系式为,图4-5 输出特性曲线,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,4.1.2 P沟道增强型场效应管(PMOS管),P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，P沟道增强型MOS管以N型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从 引出，反型层为P型，对应的导电沟道也为P型结构，其符号如图4-6所示。,实际应用中，常常将P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管结合起来使用，称为CMOS，也可称为互补MOS。,图4-6 P沟道增强型MOS管电路符号,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,4.1.3 N沟道耗尽型场效应管,N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。因而使,P衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道,其结构如图4-7（a）所示。,将 时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管，符号中导电沟道用实线表示。,4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,(a)结构示意图(b)电路符号,N沟道耗尽型MOS管其漏极电流 和栅源电压 之间的关系表达式为,图4-7 N沟道耗尽型MOS管,(4-2),4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET),第4章 场效应管及其电路,4.1.4 P沟道耗尽型场效应管,P沟道耗尽型MOS管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与N沟道耗尽型MOS管的对偶外，还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，其符号如图4-8所示。,图4-8 P沟道耗尽型MOS管电路符号,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,结型场效应管的结构,结型场效应管其内部结构如图4-9所示，与绝缘栅型场效应管不同的是漏极D和源极S通常可以对调使用。结型场效应管也可分为N沟道和P沟道两种。,图4-9 结型场效应管,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,4.2.2 结型场效应管的工作原理,图4-10 时，对导电沟道的影响,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,如图4-10(a)所示，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，因此耗尽层很薄，中间的导电沟道最宽，沟道等效电阻最小。当 时，在 作用下，场效应管两侧的耗尽层加宽，相应的中间导电沟道变窄，沟道等效电阻增大，如图4-10(b)所示。当 的反偏值增大到某一值时，场效应管两侧的耗尽层相接，导电沟道消失，这种现象称为夹断，如图4-10(c)所示，发生夹断时的栅源电压即为夹断电压。此时，沟道等效电阻趋于无穷大，即使加入，漏极电流 依然为零。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,4.2.3 特性曲线,1输出特性曲线,图4-11 N沟道JFET特性曲线,图4-11(a)就是N沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可见，其工作状态分为四个区域。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,(1)可变电阻区 较小，场效应管尚未出现预夹断的区域。该工作区的特点是：与 近似成线性关系，改变 曲线斜率就发生变化。因此，工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅源电压 控制的可变电阻，即压控电阻。(2)恒流区 较大超过，输出特性曲线趋于水平的区域。在这一区域内，与 无关，只受 控制，是一个受电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一区域，所以又称为放大区。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,(3)击穿区 值很大，超过漏源击穿电压，漏极电流 迅速上升，对应输出特性曲线上翘的部分。击穿后场效应管不能正常工作，甚至很快烧毁，因此，不允许场效应管工作在此区域。(4)截止区 输出特性曲线靠近横轴，漏极电流 的区域。此时，导电沟道被完全夹断，故也被称为夹断区。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,2转移特性曲线,在N沟道JFET转移特性曲线上，处的,而 处的。在恒流区，与 之间的关系可近似表示为,条件为：,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,4.2.4 场效应管的主要参数及使用注意事项,1场效应管的主要参数,(1)夹断电压 为耗尽型管子(含结型)的参数,是指 uDS 为某一定值而 iD减小到某一微小值时的 uGS值。在转移特性曲线上，处的 值即为。,(2)饱和漏极电流 为耗尽型管子的参数，是在 时，场效应管处于预夹断时的漏极电流。在转移特性曲线上，处的 值即为。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,(3)开启电压 为增强型MOS管的特有参数，是指 为某一定值，使漏极电流 为某一微小值(接近于0)时所需的最小 值。,(4)低频跨导 在 为某一常数时，的微变量与相应 的微变量之比值，即 反映了栅源电压 对漏极电流 的控制能力，是表征FET放大能力的一个重要参数。,(4-3),4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,2使用注意事项,场效应管的漏极和源极通常情况下可以互换使用，但对于出厂时已将源极和衬底连接在一起的场效应管，使用时应注意漏极和源极不能对调。(2)使用时各场效应管外加电压的极性应按规定接入，特别是结型场效应管应注意栅源间加反偏电压，以保证较高的输入电阻。,4.2 结型场效应管(JFET),第4章 场效应管及其电路,(3)MOS管应注意防止栅极悬空，以免绝缘层因电荷积累过多无法泄放，导致栅源电压升高而击穿二氧化硅绝缘层，所以贮存时应将三个电极短路，焊接时应用导线将各电极连在一起，并且电烙铁必须良好接地。(4)MOS管中若源极与衬底分开，应保证衬源间PN结反偏。通常P衬底接低电位，N衬底接高电位。,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,4.3.1 共源放大电路,1自偏压电路,图4-12 自偏压电路,电路如图4-12所示，场效应管的直流偏压是靠源极电阻Rs上的直流压降建立的，即,放大电路的栅偏压是依靠FET自身电流产生的，故称为自偏压电路。只适合由耗尽型FET(含JFET)构成的放大电路。,(4-4),4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,2.分压式自偏压电路,图4-13 分压式自偏压电路,电路的直流偏压是靠分压电阻Rg1、Rg2和源极电阻Rs共同建立的，其值为,(4-5),4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,(1)静态分析,增强型,耗尽型,求得ID和UGS后，再求,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,(2)动态分析,FET的简化H参数等效电路,图4-14 FET简化H参数等效电路,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,图4-15 FET简化H参数等效电路,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,电压放大倍数,负号说明共源放大电路的输出电压与输入电压反相。,输入电阻,根据图4-15所示的H参数等效电路，进行动态分析,(4-6),(4-7),输出电阻,采用“分析法”，可求得输出电阻,(4-8),4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,4.3.2 共漏放大电路,图4-16是由增强型NMOS管构成的共漏放大电路，由其交流通路可知，漏极为输入、输出回路的公共端。由于信号从源极输出，故又称源极输出器。,图4-16 共漏放大电路,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,1.静态分析,直流电路为分压式自偏压电路，其静态分析 与之相同。,2.动态分析,共漏放大电路动态分析类似于第3章中共集放大电路,略。,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,图4-17 共漏放大电路简化H参数等效电路,其简化H参数等效电路如图4-17所示，源极输出器电压放大倍数接近于1、输入电阻高和输出电阻低的特点，只不过源极输出器的输入电阻要比射极输出器大得多，通常可达几十兆欧。,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,4.3.3 复合互补源极跟随器,场效应管源极跟随器的输入电阻可以做得很高，而输出电阻不是很低，且比晶体管射极跟随器的输出电阻要大得多。因为受低频跨导 的限制，输出电阻一般为几百欧姆。如果采用下图所示的复合互补源极跟随器电路，可获得较低的输出电阻，其阻抗变换系数 比场效应管源极跟随器要大得多。,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,图4-18 复合互补源极跟随器,4.3 场效应管放大电路,第4章 场效应管及其电路,场效应管晶体管复合互补源极跟随器可以获得较低的输出阻抗，大大提高了阻抗变换系数。如果将 增大，使，则电压放大倍数，说明该电路还可以用作放大倍数大于1的高输入阻抗的同相放大器。在一些高灵敏的测量仪器中，常采用这种电路作为仪器的输入端电路。,