模电课件第三章场效应管及其基本电路.ppt
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第三章第三章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路
(1)了解场效应管内部工作原理及性能特点。
)了解场效应管内部工作原理及性能特点。
(2)掌握场效应管的外部特性、主要参数。
)掌握场效应管的外部特性、主要参数。
(3)了解场效应管基本放大电路的组成、工作原)了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。
理及性能特点。
(4)掌握放大电路静态工作点和动态参数()掌握放大电路静态工作点和动态参数()的分析方法。
)的分析方法。
11/4/20221模拟电子线路场效应晶体管(场效应管)利用多数载流子的漂移运动形成电流。
场效应管FET(FieldEffectTransistor)结型场效应管JFET绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。
11/4/20222模拟电子线路JFET:
利用栅源电压(输入电压)对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度,从而实现对漏极电流(输出电流)的控制。
IGFET:
利用栅源电压(输入电压)对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度,从而实现对漏极电流(输出电流)的控制。
FET输入电压输入电压输出电流输出电流11/4/20223模拟电子线路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)分类:
分类:
11/4/20224模拟电子线路31结型场效应管结型场效应管311结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向ID实际流向结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构.avi11/4/20225模拟电子线路P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID实际流向11/4/20226模拟电子线路图31结型场效应管的结构示意图和符号11/4/20227模拟电子线路3.1.2工作原理工作原理图42当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1.UGS对导电沟道的影响11/4/20228模拟电子线路NDGSPP(a)UGS=0,沟道最宽图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图11/4/20229模拟电子线路(b)UGS负压增大,沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用:
UGSPN结耗尽层宽度沟道宽度11/4/202210模拟电子线路(c)UGS负压进一步增大,沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压11/4/202211模拟电子线路图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线;(b)输出特性曲线11/4/202212模拟电子线路2.ID与与UDS、UGS之间的关系之间的关系图33UDS对导电沟道和ID的影响11/4/202213模拟电子线路312结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线一、转移特性曲线式中:
IDSS饱和电流,表示uGS=0时的iD值;UGSoff夹断电压,表示uGS=UGSoff时iD为零。
恒流区中:
uGS0,iD011/4/202214模拟电子线路2.转移特性曲线转移特性曲线图45N沟道结型场效应管的转移特性曲线11/4/202215模拟电子线路根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:
可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。
11/4/202216模拟电子线路二、输出特性曲线二、输出特性曲线1.可变电阻区iD的大小同时受uGS和uDS的控制。
栅、漏间电压uGDUGSoff(或uDSUGSoff预夹断前所对应的区域。
uGS0,uDS011/4/202217模拟电子线路图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线;(b)输出特性曲线11/4/202218模拟电子线路当uDS很小时,uDS对沟道的影响可以忽略,沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。
输出特性可近似为一组直线,此时,JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器(称为JFET的输出电阻);当uDS较大时,uDS对沟道的影响就不能忽略,致使输出特性曲线呈弯曲状。
11/4/202219模拟电子线路2.恒流区iD的大小几乎不受uDS的控制。
预夹断后所对应的区域。
栅、漏间电压uGDuGSUGSoff)栅、源间电压uGSUGSoff11/4/202220模拟电子线路
(1)当UGSoffuGS0时,uGS变化,曲线平移,iD与uGS符合平方律关系,uGS对iD的控制能力很强。
(2)uGS固定,uDS增大,iD增大极小。
11/4/202221模拟电子线路4.击穿区随着uDS增大,靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDSuGS)也随之增大。
当UGSUGSoff时,沟道被全部夹断,iD=0,故此区为截止区。
3.截止区11/4/202222模拟电子线路图34uDS对导电沟道的影响GD(2V)S(0V)4567.5设11/4/202223模拟电子线路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管也称为单极型三极管。
JFETJFET是电压控制电流器件,是电压控制电流器件,iiDD受受vvGSGS控制控制预夹断前预夹断前iiDD与与vvDSDS呈呈近似线性关系;预夹断后,近似线性关系;预夹断后,iiDD趋趋于于饱和。
饱和。
#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多?
高得多?
高得多?
高得多?
JFETJFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的,因结是反向偏置的,因此此iiGG00,输入电阻很高。
输入电阻很高。
11/4/202224模拟电子线路32绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体,其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。
功耗低,集成度高。
绝缘体一般为二氧化硅(SiO2),这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管,用符号MOSFET表示(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)。
此外,还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。
一、简介一、简介11/4/202225模拟电子线路图35绝缘栅(金属氧化物半导体)场效应管结构示意图(a)立体图;(b)剖面图11/4/202226模拟电子线路MOSFETN沟道P沟道增强型NEMOSFET耗尽型增强型耗尽型NDMOSFETPEMOSFETPDMOSFET二、分类二、分类11/4/202227模拟电子线路321绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构322N沟道增强型沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理11/4/202228模拟电子线路图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号11/4/202229模拟电子线路二、转移特性二、转移特性
(1)当uGSUGSth时,iD0,二者符合平方律关系。
iD011/4/202230模拟电子线路式中:
UGSth开启电压(或阈值电压);n沟道电子运动的迁移率;Cox单位面积栅极电容;W沟道宽度;L沟道长度(见图35(a);W/LMOS管的宽长比。
在MOS集成电路设计中,宽长比是一个极为重要的参数。
11/4/202231模拟电子线路iD0(a).转移特征曲线转移特征曲线:
11/4/202232模拟电子线路三、输出特性三、输出特性
(1)截止区uDS0uGSUGSthuGDUGSth(或uDSUGSthuGDuGSUGSth)11/4/202235模拟电子线路GD(1V)S(0V)432.51.5设11/4/202236模拟电子线路323N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)式中:
ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。
11/4/202237模拟电子线路图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性;(b)输出特性;(c)表示符号11/4/202238模拟电子线路图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性;(b)输出特性;(c)表示符号11/4/202239模拟电子线路图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性;(b)输出特性;(c)表示符号(c)DGSB11/4/202240模拟电子线路324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比11/4/202241模拟电子线路图311各种场效应管的符号对比11/4/202242模拟电子线路iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth结型P沟耗尽型P沟增强型P沟MOS耗尽型N沟增强型N沟MOS结型N沟图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性N沟道:
P沟道:
11/4/202243模拟电子线路图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型P沟耗尽型MOSP沟345601201231233456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道:
P沟道:
11/4/202244模拟电子线路33场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型331场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数
(1)饱和漏极电流IDSS(ID0):
(2)夹断电压UGSoff:
当栅源电压uGS=UGSoff时,iD=0。
IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。
2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说,主要参数有开启电压UGSth。
11/4/202245模拟电子线路3.输入电阻RGS对结型场效应管,RGS在1081012之间。
对MOS管,RGS在10101015之间。
通常认为RGS。
二、极限参数二、极限参数
(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。
(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。
(3)最大功耗PDM:
PDM=IDUDS11/4/202246模拟电子线路DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比11/4/202247模拟电子线路三、交流参数三、交流参数1跨导gm对JFET和耗尽型MOS管,电流方程为那么,对应工作点Q的gm为式中,IDQ为直流工作点电流。
直流工作点电流IDQ,gm。
11/4/202248模拟电子线路而对增强型MOSFET,其电流方程为那么,对应工作点Q的gm为直流工作点电流IDQ,gm。
11/4/202249模拟电子线路2.输出电阻rds恒流区的rds可以用下式计算:
其中,UA为厄尔利电压。
DSGB11/4/202250模拟电子线路DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比11/4/202251模拟电子线路图38输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)厄尔利电压11/4/202252模拟电子线路若输入为正弦量,上式可改写为通常rds较大,Uds对Id的影响可以忽略,则332场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型11/4/202253模拟电子线路rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313场效应管低频小信号简化模型11/4/202254模拟电子线路34场效应管放大器场效应管放大器341场效应管偏置电路场效应管偏置电路偏置方式自偏压方式混合偏置方式确定直流工作点方
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- 课件 第三 场效应 及其 基本 电路