第三章 场效应晶体管及其电路分析.docx
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第三章场效应晶体管及其电路分析
第三章场效应晶体管及其电路分析
第三章场效应晶体管及其电路分析1
1.3.1场效应管的结构、特性与参数1
1.3.2场效应管放大电路8
1.3.1场效应管的结构、特性与参数
一、绝缘栅场效应管(IGFET)
1.增强型NMOS管
s:
Source源极,d:
Drain漏极,g:
Gate栅极,B:
Base衬底,在P型衬底扩散上2个N+区,P型表面加SiO2绝缘层,在N+区加铝线引出电极。
2.增强型PMOS管
在N型衬底上扩散上2个P+区,P型表面加SiO2绝缘层,在二个P+区加铝线引出电极。
PMOS与NMOS管的工作原理完全相同,只是电流和电压方向不同。
3.增强型NMOS管的工作原理
正常工作时外加电源电压的配置:
(1)VGS=0,VDS=0:
漏源间是两个背靠背串联的PN结,所以d-s间不可能有电流流过,即iD≈0。
(2)当VGS>0,VDS=0时:
d-s之间便开始形成导电沟道。
开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。
沟道形成过程作如下解释:
此时,在栅极与衬底之间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底),它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N+区沟通,形成N型导电沟道。
如果,此时再加上VDS电压,将会产生漏极电流iD。
当VGS=0时没有导电沟道,而当VGS增强到>VT时才形成沟道,所以称为增强型MOS管。
并且VGS越大,感应电子层越厚,导电沟道越厚,等效沟道电阻越小,iD越大。
(3)当VGS>VT,VDS>0后,漏-源电压VDS产生横向电场:
由于沟道电阻的存在,iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。
近s端电压差较高,为VGS;近d端电压差较低,为VGD=VGS-VDS,所以沟道的形状呈楔形分布。
1)当VDS较小时:
VDS对导电沟道的影响不大,沟道主要受VGS控制,所以VGS为定值时,沟道电阻保持不变,iD随VDS增加而线性增加。
此时,栅漏间的电压大于开启电压,沟道尚未夹断,
。
2)当VDS增加到VGS-VDS=VT时(即VDS=VGS-VT):
栅漏电压为开启电压时,漏极端的感应层消失,沟道被夹断,称为“预夹断”。
3)当VDS再增加时(即VDS>VGS-VT或VGD=VGS-VDS iD将不再增加而基本保持不变。 因为VDS再增加时,近漏端上的预夹断点向s极延伸,使VDS的增加部分降落在预夹断区,以维持iD的大小, 。 伏安特性与电流方程: (1)增强型NMOS管的转移特性: 在一定VDS下,栅-源电压VGS与漏极电流iD之间的关系: IDO是VGS=2VT时的漏极电流。 (2)输出特性(漏极特性) 表示漏极电流iD漏-源电压VDS之间的关系: 。 与三极管的特性相似,也可分为3个区: 可变电阻区,放大区(恒流区、饱和区),截止区(夹断区)。 可变电阻区管子导通,但沟道尚未预夹断,即满足的条件为: 。 在可变电阻区iD仅受VGS的控制,而且随VDS增大而线性增大。 可模拟为受VGS控制的压控电阻RDS, 。 放大区(沟道被预夹断后),又称恒流区、饱和区。 条件是: 。 特征是iD主要受VGS控制,与VDS几乎无关,表现为较好的恒流特性。 夹断区又称截止区,管子没有导电沟道(VGS<VT)时的状态, 。 4.耗尽型NMOS管 在制造过程中,人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大量的K+(钾)或Na+(钠)等正离子;VGS=0,靠正离子作用,使P型衬底表面感应出N型反型层,将两个N+区连通,形成原始的N型导电沟道;VDS一定,外加正栅压(VGS>0),导电沟道变厚,沟道等效电阻下降,漏极电流iD增大;外加负栅压VGS<0)时,沟道变薄,沟道电阻增大,iD减小;VGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示,称为夹断电压),导电沟道消失,整个沟道被夹断,iD≈0,管子截止。 耗尽型NMOS的伏安特性: 放大区的电流方程: ,IDSS为饱和漏极电流,是VGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。 二、结型场效应管(JFET) 结构与符号: 在N区两侧扩散两个P+区,形成两个PN结。 两个P+区相连,引出栅极g。 N体的上下两端分别引出漏极d和源极s。 导电原理: (1)VGS=0时,N型棒体导电沟道最宽(N型区)。 有了VDS后,沟道中的电流最大。 (2)VGS<0时,耗尽层加宽(主要向沟道一测加宽),并向沟道中间延伸,沟道变窄。 当VGS<VP(称为夹断电压)时,二个耗尽层增大到相遇,沟道消失,这时称沟道夹断,沟道中的载流子被耗尽。 若有VDS电压时,沟道电流也为零。 所以属于耗尽型FET,原理和特性与耗尽型MOSFET相似。 所不同的是JFET正常工作时,两个PN结必须反偏,如对N沟道JFET,要求VGS≤0。 加上负VGS电压和VDS电压以后,VGD的负压比VGS大,所以,二个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄,使沟道形成楔形。 JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度(沟道的截面积)控制iD,称为体内场效应器件;MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD,称为表面场效应器件。 JFET的伏安特性(以N沟道JFET为例): 伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。 但VGS必定要反向偏置。 三、场效应管的主要参数 1.直流参数 开启电压VT: 增强型管的参数;夹断电压VP: 耗尽型管的参数;饱和漏极电流IDSS: 指耗尽型管在VGS=0时的漏极电流;输入电阻RGS(DC): 因iG=0,所以输入电阻很大。 JFET大于107Ω,MOS管大于1012Ω。 2.交流参数 低频跨导(互导)gm: ,跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,且与工作点有关,是转移特性曲线上过Q点切线的斜率。 gm的单位是mS;交流输出电阻rds: ,rds反映了漏源电压对漏极电流的影响程度,在恒流区内,是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。 其值一般为若几十kΩ。 3.极限参数 最大漏-源电压V(BR)DS: 漏极附近发生雪崩击穿时的VDS;最大栅-源电压V(BR)GS: 栅极与源极间PN结的反向击穿电压;最大耗散功率PDM: 同三极管的PCM相似,当超过PDM时,管子可能烧坏。 1.3.2场效应管放大电路 一、场效应管的直流偏置和静态工作点计算 1.自给栅偏压电路(只适用于耗尽型FET),Rg为栅极泄放电阻,泄放栅极感生电荷,通常取0.1MΩ~10MΩ。 Rs为源极偏置电阻,作用类似于共射电路的Re,可以稳定电路的静态工作点Q。 自偏压电路由于IG=0,所以Rg上无直流压降,VG=0。 由于耗尽型FET在VGS=0时存在导电沟道,所以电路有漏极电流ID, 。 2.分压式自偏压电路,适用于耗尽型和增强型FET。 ,此式称为偏压线方程。 若VG>IDRs,则可适用于增强型管(N沟道);若VG<IDRs,则可适用于耗尽型MOS管或JFET。 静态工作点的计算 1.图解法求静态工作点: 由转移特性曲线和偏压线方程(为一直线)求输入回路的工作点;由输出特性曲线和直流负载线求输出回路的工作点。 2.估算法求静态工作点: 由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解,通常舍去不合题意的一组解,然后得到静态工作点。 二、场效应管放大与开关应用举例 电压传输特性: 用作放大器: BCQD段: VT<VGS<6V,FET工作在恒流区(放大区)内。 例如: , 用作可控开关: AB段: VGS<VT,FET工作在截止区,VO=VDD;EFG段: VGS>6V,FET工作在可变电阻区,VO≈0。 当VGS=9V时,工作点移至F点,MOS管工作于可变电阻区,VDS=0.2V,相当于开关接通;当VGS=0V时,工作点移至A,MOS管截止,VDS=12V,iD=0,相当于开关断开。 FET反相器的输入/输出波形: 用作压控电阻: 在可变电阻区,iD随VDS近似线性增加,且VDS与iD的比值(即RDS)受VGS控制,等效为压控电阻。
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- 第三章 场效应晶体管及其电路分析 第三 场效应 晶体管 及其 电路 分析