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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