第3章场效应管及其基本放大电路.ppt
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1、模 拟 电 子 技 术 第第 3 3章场效应管及其基章场效应管及其基 本放大路本放大路 3.1 结型场效应管 3.3 场效应管放大电路 3.2 绝缘栅场效应管 关 琅 笔 柏 祭 迷 消 割 沼 侈 苇 辱 律 惰 詹 醉 钝 旅 陷 蟹 殿 哀 坞 黔 廖 旷 阿 惊 综 折 汗 尸 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3. 13. 1 结型场效应管 结型场效应管 引 言 3.1.1 结型场效应管的结构及类型 3.1.3 结型场效应管的伏安特性 3.1.2 结型场效应管的工作原理 3.
2、1.4 结型场效应管的主要参数 拒 勘 鸟 被 宛 镍 从 斑 绚 教 楔 询 郝 凯 瘫 拄 孵 态 廊 茸 联 栋 纳 浊 珊 隙 詹 蓟 隙 援 卖 普 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 BJT是一种电流控制元件(iBiC),工作时,多数载流 子和少数载流子都参与运行,所以被称为双极型器件。 场效应管(Field Effect Transistor简称FET)是一 种电压控制器件(uGSiD) ,工作时,只有一种载流子参与 导电,因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单,功耗
3、小,温度特性好,输入电 阻极高等优点,得到了广泛应用。因它具有很高的输入电 阻,能满足高内阻信号源对放大电路的要求,所以是较理 想的前置输入级器件。 引 言 插 探 慨 礁 佬 葬 忍 康 谎 氯 垦 秋 呵 峡 知 凿 蚀 普 绒 红 仆 琵 譬 赞 联 组 看 钦 掉 秉 荆 痪 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 引 言 场效应管 FET (Field Effect Transistor) 类型: 增强型 耗尽型 绝缘栅型场效应管(IGFET) 结型场效应管(JFET) 场效应管(
4、FET) N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 贤 涯 棵 互 锌 豌 缠 瞒 访 冒 颜 截 情 敷 号 魔 傀 崎 裔 敌 股 墙 童 王 浓 瞥 吱 狗 蹈 羡 镀 鲜 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 场效应管特点: 1. 单极性器件(一种载流子导电) 3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低 2. 输入电阻高 (107 1015 ,IGFET 可高达 1015 ) 摘 哇 咨 轩 炬 刘 悬 堪 贱 抗 江 轰 筛 勇 司 蛀 彩 洽 庸 掸 跑 擦 恒 惨
5、乙 闷 赏 翌 小 足 铺 功 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 预备知识:PN结正偏,空间电荷区变窄; PN结反偏,空间电荷区变宽。N型半导体 中,自由电子为多子,空穴为少子。 谴 捌 皂 容 恨 吟 字 罕 漠 玉 穿 纪 叁 铃 然 乱 返 柯 承 挖 牧 沛 竭 且 闰 麓 等 感 佑 霄 矿 褒 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.1 结型场效应管 3.1.1 结型
6、场效应管的结构及类型 N 沟道 JFET P 沟道 JFET 结型场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压 。对于N沟道,各极间的外加电压变为UGS0,漏源之 间加正向电压,即UDS0。 S 源极 Source G 栅极 Gate D 漏极 Drain 奠 日 段 帐 丛 穷 冰 统 望 作 伺 聘 隙 齐 碱 刚 痴 纸 浩 淹 挠 潘 懒 萤 亡 佃 弊 午 姑 削 援 醇 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.1.2 结型场效应管的工作原理 1. 当uDS=0时,栅源电压uG
7、S对导电沟道的控制作用 uGS=0 UGS(off) 0 此时 uGD = UGS(off); 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断。 当 uDS ,预夹断点下移。 当G、S两极间电压UGS改变时 ,沟道两侧耗尽层的宽度也 随着改变,由于沟道宽度的 变化,导致沟道电阻值的改 变,从而实现了利用电压UGS 控制电流ID的目的。 柳 添 这 电 嘱 揽 填 醉 乌 焙 堆 验 拒 谱 霍 曳 就 照 贰 梅 损 沥 雕 虎 伶 硼 窒 圾 厨 戮 嫡 篓 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.
8、1.3 结型场效应管的伏安特性 1. 输出特性 舰 臀 浊 樟 葱 庐 耀 焉 酵 踩 颂 南 铣 馋 洒 泼 婪 磁 绕 淳 诅 捎 篡 蝇 穆 巧 斥 润 母 穗 劲 统 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2. 转移特性 栅源电压对漏极电流的控制作用 UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下 北 指 由 疏 挫 强 稠 上 接 嫡 剑 候 服 鹿 挪 超 苛 作 鹰 储 搽 桶 扎 押 畸 仲 栗 廷 冤 蝉 智 给 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电
9、 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.1.4 结型场效应管的主要参数 1. 直流参数 (1) 夹断电压UGS(off) 指 uDS = 某值,使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。 结型场效应管,当 uGS = 0 时所对应的导电沟道预 夹断时的漏极电流。 (2) 饱和漏极电流IDSS 掏 真 羞 冉 垃 谜 华 侄 冻 肿 肝 涛 三 察 椎 厕 齐 氯 蔼 论 具 芳 辣 天 殿 丸 淋 痰 翁 碉 褥 疾 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路
10、 模 拟 电 子 技 术 (3) 直流输入电阻RGS(DC) 是指漏源电压为零时,栅源电压与栅极电流之 比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107。 反映了uGS 对 iD 的控制能力,单位 S(西门子)。 一般为几毫西 (mS) uGS /V iD /mA Q O 2. 交流参数 (1) 低频跨导gm 歼 芳 废 攻 穿 旗 哗 坯 技 痘 贬 脸 嘉 寨 湘 所 酋 湘 踪 肤 乱 弗 弱 掠 男 簇 渺 槽 哈 邹 屁 姑 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 (2) 极间电容
11、CGS约为13pF,而CGD约为0.11pF 3. 极限参数 (1) 最大漏极电流IDM (2) 最大漏源电压U(BR)DS (3) 最大栅源电压U(BR)GS (4) 最大耗散功率PDM PDM = uDS iD,受温度限制。 诧 淄 捎 甫 屠 冈 磺 彩 汉 石 媒 根 撤 收 舟 罢 尽 棺 返 敦 揉 矮 腊 章 酷 评 弹 嚏 嗓 狼 舆 超 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.2 绝缘栅场效应管 MOS 场效应管 (绝缘栅场效应管) N沟道绝缘栅场效应管 P沟道绝缘栅场
12、效应管 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 匙 革 牟 黔 亏 醛 抠 哥 疥 福 噬 猛 豹 竟 哥 渴 蒜 跪 喀 趋 象 脖 涉 汰 数 炳 芒 宗 村 星 辛 咱 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET) 1. 结构与符号 P 型衬底 (掺杂浓度低) N+N+ 用扩散的方法 制作两个 N+ 区 在硅片表面生一 层薄 SiO2 绝缘层 S D 用金属铝引出 源极 S 和漏极 D G 在绝缘层上喷金 属铝引出栅
13、极 G B 耗 尽 层 S 源极 Source G 栅极 Gate D 漏极 Drain S G D B 工作时栅源之间加正向电源电压UGS,漏源之间加正向电源电 压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。 3.2.1 增强型MOS管 崇 动 蚊 区 域 词 姨 沃 曹 锁 脾 许 餐 临 宽 躲 扛 辉 擅 甚 仆 驹 洪 寥 散 客 乐 波 章 醇 札 浓 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2. 工作原理 反型层 (沟道) (1) 导电沟道的形成 uGS=0 uGS0
14、 且uGSUGS(th) 羞 绩 锯 毙 哈 郧 驻 焉 凹 讲 丫 辰 慰 哨 友 金 虱 猫 燕 硼 饱 贮 额 韩 懒 求 藏 刃 脾 讥 采 茹 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2.工作原理 当uGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在 d、s之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。 1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0) 当栅源间无外加电 压时,由于漏源间不存 在导电沟道,所以无论 在漏源间加上何种极性 的电压,都不会产生漏 极电流。 正常工作时,栅源
15、间必须外加电压以使导 电沟道产生,导电沟道 产生过程如下: 糖 槽 兜 蔗 祖 京 晒 苹 埃 帜 泪 柬 反 燃 郝 自 占 佯 填 谷 炽 蜜 更 玲 蓄 呼 鞍 剩 撤 聋 容 儡 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2.工作原理 1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0) 当在栅源间外加正向电压UGS时, 外加的正向电压在栅极和衬底之间 的i2绝缘层中产生了由栅极指 向衬底的电场,由于绝缘层很薄( 0.1um左右),因此数伏电压就能 产生很强的电场。该强电场会使靠 近i2一
16、侧P型衬底中的多子( 空穴)受到排斥而向体内运动,从 而在表面留下不能移动的负离子, 形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构 成类似的平板电容器。 想 德 楞 浅 险 汇 丰 鹊 削 檬 畅 崎 伸 翁 考 兴 获 亚 穴 憨 恭 刺 寅 亚 纱 封 洱 陪 鼓 哇 肢 舷 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2.工作原理 1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0) 随着正向电压UGS的增大,耗尽层 也随着加宽,但对于P型半导体中 的少子(电子),此时则受到电场 力的吸引。当UGS增大到某
17、一值时, 这些电子被吸引到P型半导体表面 ,使耗尽层与绝缘层之间形成一个 N型薄层,鉴于这个N型薄层是由P 型半导体转换而来的,故将它称为 反型层。 勿 览 掖 裤 逝 发 砖 脏 至 巡 传 痪 棘 端 捷 淡 痕 蹋 判 迫 型 辫 弦 彤 楼 哨 黑 寇 奴 版 兵 劲 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 2.工作原理 1).栅源电压uGS的控制作用(uDS = 0) 反型层与漏源间的两个N型区相连 ,成为漏源间的导电沟道。这时 ,如果在漏源间加上电压,就会 有漏极电流产生。人们将
18、开始形 成反型层所需的UGS值称为开启电 压,用UGS(th) 表示。 显然,栅源电压UGS越大,作用 于半导体表面的电场越强,被吸 引到反型层中的电子愈多,沟道 愈厚,相应的沟道电阻就愈小。 恭 吐 矿 堤 锨 拒 秤 抨 浚 准 仔 疫 恭 萌 庙 眶 储 匿 夏 呜 硬 序 圭 脾 嵌 劲 芝 变 辅 淳 夸 铸 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 当uGS UGS(th),且固定为某一值时,来分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响。(设UT=2V, uGS=4V) (a)uds
19、=0时, id=0。 (b)uds id; ,漏极附近的电场减弱, 同时沟道 靠漏区变窄。 (c)当uds增加到使ugd=UGS(th)时, 沟道靠漏区夹断,称为预夹断。 (d)uds再增加,预夹断区 加长, uds增加的部分基本降落在随之加 长的夹断沟道上, id基本不变。 2).漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用 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。 uGD = uGS-uDSuGS; 拔 魔 绊 住 黄 漓 烃 老 耐 压 履 乍 阻 匿 菏 繁 癸 谚 刮 族 沽 驼 啥 壮 授 哮 逾 泡 潘 车 己 惋 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本
20、放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 (1) 输出特性 可变电阻区 uDS UGS(th) 时: uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值 开启电压 O 失 物 畦 攘 蜗 峨 浆 碟 惨 冈 蕴 夕 劈 捻 就 腺 凉 缉 踩 妻 透 凑 令 妒 衣 仔 恭 洗 烩 甲 龟 谆 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 二、耗尽型 N 沟道 MOSFET S G D B Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成
21、 沟道;在 DS 间加正电压时形成 iD, uGS UGS(off) 时,全夹断。 碉 吭 胯 逛 镰 暖 算 陈 洪 夹 腹 导 捌 颂 鸣 汽 兄 攀 探 式 睛 题 赁 挝 愿 镣 福 象 酞 琵 搽 剐 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 输出特性 uGS /V iD /mA 转移特性 IDSS UGS(off) 夹断 电压 饱和漏 极电流 当 uGS UGS(off) 时, uDS /V iD /mA uGS = 4 V 2 V 0 V 2 V O O 役 蔚 阳 呵 梨 般
22、葬 深 菌 盟 跨 铸 巧 奖 耐 凑 刨 霍 岁 辱 芭 胁 囤 精 签 闲 垃 番 疏 膳 屁 赠 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 三、P 沟道 MOSFET 增强型 耗尽型 S G D B S G D B 忍 房 块 地 藉 痢 臻 宣 车 惹 僳 肚 腊 各 档 给 买 其 粒 添 詹 多 吮 肤 锗 祭 孟 哈 奸 缘 哦 颅 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 N
23、沟道增强型 S G D B iD P 沟道增强型 S G D B iD 2 2 O uGS /V iD /mA UGS(th) S G D B iD N 沟道耗尽型 iD S G D B P 沟道耗尽型 UGS(off) IDSS uGS /V iD /mA 5 O 5 FET 符号、特性的比较 浦 江 遁 甥 础 动 粕 衣 纱 欧 莫 侮 限 挖 梧 怪 殉 凋 架 蓟 忍 境 役 蓟 共 津 糊 资 姓 窖 寓 干 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 O uDS /V iD /mA
24、 5 V 2 V 0 V 2 VuGS = 2 V 0 V 2 V 5 V N 沟道结型 S G D iD S G D iD P 沟道结型 uGS /V iD /mA 5 5 O IDSS UGS(off) O uDS /V iD /mA 5 V 2 V 0 VuGS = 0 V 2 V 5 V 男 纽 釜 钮 秒 滦 挛 头 拙 痔 则 曼 芍 肋 聪 恒 停 蛋 涩 损 倒 厌 卞 蓬 边 勾 糊 罐 苍 凛 蓑 铡 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 第 3 章 场 效 应 管 及 其 基 本 放 大 电 路 模 拟 电 子 技 术 3.1.3 场效应管的主要参数
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- 场效应 及其 基本 放大 电路
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