MOS管工作原理詳解.ppt

第三章場效應管放大器 絕緣柵場效應管結(jié)型場效應管 3 2場效應管放大電路 效應管放大器的靜態(tài)偏置效應管放大器的交流小信號模型效應管放大電路 3 1場效應管 3 1場效應管 BJT是一種電流控制元件 iB iC 工作時 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行 所以被稱為雙極型器件 場效應管 FieldEffectTransistor簡稱FET 是一種電壓控制器件 uGS iD 工作時 只有一種載流子參與導電 因此它是單極型器件 FET因其制造工藝簡單 功耗小 溫度特性好 輸入電阻極高等優(yōu)點 得到了廣泛應用 FET分類 絕緣柵場效應管 結(jié)型場效應管 增強型 耗盡型 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 N溝道 P溝道 一 絕緣柵場效應管 絕緣柵型場效應管 MetalOxideSemiconductorFET 簡稱MOSFET 分為 增強型 N溝道 P溝道耗盡型 N溝道 P溝道 1 N溝道增強型MOS管 1 結(jié)構(gòu)4個電極 漏極D 源極S 柵極G和襯底B 符號 當uGS 0V時 縱向電場 將靠近柵極下方的空穴向下排斥 耗盡層 2 工作原理 當uGS 0V時 漏源之間相當兩個背靠背的二極管 在d s之間加上電壓也不會形成電流 即管子截止 再增加uGS 縱向電場 將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面 形成導電溝道 如果此時加有漏源電壓 就可以形成漏極電流id 柵源電壓uGS的控制作用 定義 開啟電壓 UT 剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS N溝道增強型MOS管的基本特性 uGS UT 管子截止 uGS UT 管子導通 uGS越大 溝道越寬 在相同的漏源電壓uDS作用下 漏極電流ID越大 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD f uGS uDS const 可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線 例 作uDS 10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線 UT 一個重要參數(shù) 跨導gm gm iD uGS uDS const 單位mS gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用 在轉(zhuǎn)移特性曲線上 gm為的曲線的斜率 在輸出特性曲線上也可求出gm 2 N溝道耗盡型MOSFET 特點 當uGS 0時 就有溝道 加入uDS 就有iD 當uGS 0時 溝道增寬 iD進一步增加 當uGS 0時 溝道變窄 iD減小 在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子 所以當uGS 0時 這些正離子已經(jīng)感應出反型層 形成了溝道 定義 夾斷電壓 UP 溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS 3 P溝道耗盡型MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同 只不過導電的載流子不同 供電電壓極性不同而已 這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣 4 MOS管的主要參數(shù) 1 開啟電壓UT 2 夾斷電壓UP 3 跨導gm gm iD uGS uDS const 4 直流輸入電阻RGS 柵源間的等效電阻 由于MOS管柵源間有sio2絕緣層 輸入電阻可達109 1015 二 結(jié)型場效應管 1 結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu) 以N溝為例 兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道 三個電極 g 柵極d 漏極s 源極 符號 N溝道 P溝道 2 結(jié)型場效應管的工作原理 1 柵源電壓對溝道的控制作用 在柵源間加負電壓uGS 令uDS 0 當uGS 0時 為平衡PN結(jié) 導電溝道最寬 當 uGS 時 PN結(jié)反偏 耗盡層變寬 導電溝道變窄 溝道電阻增大 當 uGS 到一定值時 溝道會完全合攏 定義 夾斷電壓UP 使導電溝道完全合攏 消失 所需要的柵源電壓uGS 2 漏源電壓對溝道的控制作用 在漏源間加電壓uDS 令uGS 0由于uGS 0 所以導電溝道最寬 當uDS 0時 iD 0 uDS iD 靠近漏極處的耗盡層加寬 溝道變窄 呈楔形分布 當uDS 使uGD uGS uDS UP時 在靠漏極處夾斷 預夾斷 預夾斷前 uDS iD 預夾斷后 iDS iD幾乎不變 uDS再 預夾斷點下移 3 柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用 iD f uGS uDS 可用輸兩組特性曲線來描繪 1 輸出特性曲線 iD f uDS uGS 常數(shù) 3 結(jié)型場效應三極管的特性曲線 設(shè) UT 3V 四個區(qū) 恒流區(qū)的特點 iD uGS gm 常數(shù)即 iD gm uGS 放大原理 a 可變電阻區(qū) 預夾斷前 b 恒流區(qū)也稱飽和區(qū) 預夾斷后 c 夾斷區(qū) 截止區(qū) d 擊穿區(qū) 可變電阻區(qū) 恒流區(qū) 截止區(qū) 擊穿區(qū) 2 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD f uGS uDS 常數(shù) 可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線 例 作uDS 10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線 4 場效應管的主要參數(shù) 1 開啟電壓UTUT是MOS增強型管的參數(shù) 柵源電壓小于開啟電壓的絕對值 場效應管不能導通 2 夾斷電壓UPUP是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù) 當uGS UP時 漏極電流為零 3 飽和漏極電流IDSSMOS耗盡型和結(jié)型FET 當uGS 0時所對應的漏極電流 4 輸入電阻RGS結(jié)型場效應管 RGS大于107 MOS場效應管 RGS可達109 1015 5 低頻跨導gmgm反映了柵壓對漏極電流的控制作用 單位是mS 毫西門子 6 最大漏極功耗PDMPDM UDSID 與雙極型三極管的PCM相當 5 雙極型和場效應型三極管的比較 一 直流偏置電路保證管子工作在飽和區(qū) 輸出信號不失真 3 2場效應管放大電路 1 自偏壓電路 UGS IDR 注意 該電路產(chǎn)生負的柵源電壓 所以只能用于需要負柵源電壓的電路 計算Q點 UGS ID UDS 已知UP 由 可解出Q點的UGS ID 2 分壓式自偏壓電路 可解出Q點的UGS ID 計算Q點 已知UP 由 該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負 所以適用于所有的場效應管電路 二 場效應管的交流小信號模型 與雙極型晶體管一樣 場效應管也是一種非線性器件 在交流小信號情況下 也可以由它的線性等效電路 交流小信號模型來代替 其中 gmugs是壓控電流源 它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用 稱為低頻跨導 rds為輸出電阻 類似于雙極型晶體管的rce 三 場效應管放大電路 1 共源放大電路 分析 1 畫出共源放大電路的交流小信號等效電路 2 求電壓放大倍數(shù) 3 求輸入電阻 4 求輸出電阻 則 2 電壓放大倍數(shù) 3 輸入電阻 得 分析 1 畫交流小信號等效電路 由 2 共漏放大電路 4 輸出電阻 所以 由圖有 本章小結(jié) 1 FET分為JFET和MOSFET兩種 工作時只有一種載流子參與導電 因此稱為單極性型晶體管 FET是一種壓控電流型器件 改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流 2 FET放大器的偏置電路與BJT放大器不同