場(chǎng)效應(yīng)晶體管PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管1. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 箭頭方向表示箭頭方向表示柵結(jié)柵結(jié)正偏正偏或正偏時(shí)柵極或正偏時(shí)柵極電流方向。電流方向。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)動(dòng)畫D(Drain):漏極，相當(dāng)漏極，相當(dāng)c G(Gate):柵極，相當(dāng)柵極，相當(dāng)b S(Source):源極，相當(dāng)源極，相當(dāng)e第1頁(yè)/共37頁(yè)ID（1）VGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓：夾斷電壓(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管通常工作在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管通常工作在反偏反偏的條件下。的條件下。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)負(fù)柵壓區(qū)，

2、P溝道的只能工作在溝道的只能工作在正柵壓區(qū)正柵壓區(qū)。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：第2頁(yè)/共37頁(yè)(c) |VGS | = VP ，導(dǎo)電溝道被全夾斷，導(dǎo)電溝道被全夾斷(b) 0 VGS 0 ,但但|VGS-VDS| |VP |時(shí)的漏極電流時(shí)的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDVvIi 當(dāng)當(dāng)|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區(qū)，后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對(duì)對(duì)iD的影響很小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)挠绊懞苄?。?shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|vGS - vDS | | VP | 時(shí)，時(shí)，iD可近似表示為：可近似表示為：特性特性2第7頁(yè)/共37頁(yè)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管I

3、GFET又稱金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管又稱金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻可達(dá)，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻可達(dá)1015 。增強(qiáng)型：增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道， 在在VDS作用下無(wú)作用下無(wú)iD。耗盡型：耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道，時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在在VDS作用下有作用下有i

4、D。第8頁(yè)/共37頁(yè)濃度較低的濃度較低的P型硅型硅SiO2 薄膜絕緣層薄膜絕緣層兩個(gè)高摻雜的兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)型區(qū)從從N型區(qū)引出電極型區(qū)引出電極作為作為D和和S在在絕緣層上鍍一層金屬鋁并絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為引出一個(gè)電極作為GD(Drain):漏極，相當(dāng)漏極，相當(dāng)c G(Gate):柵極，相當(dāng)柵極，相當(dāng)b S(Source):源極，相當(dāng)源極，相當(dāng)eB(Substrate):襯底襯底結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)動(dòng)畫動(dòng)畫(1) 結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)構(gòu)和符號(hào)第9頁(yè)/共37頁(yè)(a) VGS=0時(shí)，時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在二極管，在D、S之間加上電壓，之間加上電壓，不管不管V

5、DS極性如何，其中總有一個(gè)極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。 VGS =0， ID =0VGS必須大于必須大于0管子才能工作。管子才能工作。柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動(dòng)畫的控制作用動(dòng)畫第10頁(yè)/共37頁(yè) （b）當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若）當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0VGSVT （ VT 稱為開啟電稱為開啟電壓壓) 0VGSVT ， ID=0柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動(dòng)畫的控制作用動(dòng)畫第11頁(yè)/共37頁(yè)(c)進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)當(dāng)VGSVT時(shí)，時(shí)， VGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導(dǎo)電溝道

6、導(dǎo)電溝道VGS 反型層變厚反型層變厚 VDS ID 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用動(dòng)畫的控制作用動(dòng)畫第12頁(yè)/共37頁(yè)（a）如果）如果VGSVT且固定為某一值，且固定為某一值，溝道變化；溝道變化；VDS ID 漏源電壓漏源電壓VDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的影響的影響漏源漏源電壓電壓VDS對(duì)溝道的影響動(dòng)畫對(duì)溝道的影響動(dòng)畫第13頁(yè)/共37頁(yè)（b）當(dāng)）當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VT時(shí)，溝道如圖所示，時(shí)，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，靠近漏極的溝道被夾斷，稱為稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。漏源漏源電壓電壓VDS對(duì)溝道的影響動(dòng)畫對(duì)溝道的影響動(dòng)畫第14頁(yè)/共37頁(yè)VDS ID 不變不變（c）當(dāng)）當(dāng)VD

7、S增加到增加到VGD VT時(shí)，溝道如圖所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，向時(shí)，溝道如圖所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，向S極延伸。極延伸。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變基本趨于不變漏源漏源電壓電壓VDS對(duì)溝道的影響動(dòng)畫對(duì)溝道的影響動(dòng)畫第15頁(yè)/共37頁(yè) ID=f(VGS) VDS=const轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 iD vGS /VID=f(VDS) VGS=const輸出特性曲線輸出特性曲線 vDS /V iD值時(shí)的是在恒流區(qū)，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1-(020轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的

8、大小反映了柵源電壓的大小反映了柵源電壓VGS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制作用。的控制作用。 gm 的量綱為的量綱為mA/V，稱為，稱為跨導(dǎo)跨導(dǎo)。 gm= ID/ VGS VDS=const 第16頁(yè)/共37頁(yè) vDS /V iD(1) (1) 截止區(qū)（夾斷區(qū)）截止區(qū)（夾斷區(qū)）V VGSGS V |VP |時(shí)的漏時(shí)的漏 極電流。（耗盡）極電流。（耗盡）(4) 直流輸入電阻直流輸入電阻Rgs ：在在VDS = 0時(shí)，柵源間直流電壓與柵極時(shí)，柵源間直流電壓與柵極直流電流的比值直流電流的比值第21頁(yè)/共37頁(yè)(1) 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm ：表示表示vGS對(duì)對(duì)iD的控制作用。的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲

9、線上，在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm 是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為 S 或或 mS。常數(shù)DSGSDmvvig(2)輸出電阻輸出電阻rds ：表示表示VDS對(duì)對(duì)iD的影響的影響常數(shù)GSDDSdsvivr它是輸出特性曲線上工作點(diǎn)處斜率的倒數(shù)。它是輸出特性曲線上工作點(diǎn)處斜率的倒數(shù)。(3)極間電容極間電容 ：漏源電容漏源電容CDS約為約為 0.11pF，柵源電容，柵源電容CGS和柵和柵 漏極電容漏極電容CGD約為約為13pF。第22頁(yè)/共37頁(yè)(1) 最大漏極電流最大漏極電流 IDM (3) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 V(BR)

10、DS 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓 V(BR)GS (2) 最大漏極耗散功率最大漏極耗散功率 PDM 第23頁(yè)/共37頁(yè)雙極型三極管雙極型三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NPN型型PNP型型結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵增強(qiáng)型絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵耗盡型絕緣柵耗盡型 N溝道溝道 P溝道溝道C與與E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D與與S可倒置使用可倒置使用載流子載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移多子漂移控制控制電流控制電流源電流控制電流源CCCS()電壓控制電流源電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲噪聲較大較大較小較小溫度特性溫度特性受溫度影

11、響較大受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上靜電影響靜電影響不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成工藝不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成第24頁(yè)/共37頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型共源極放大電路共源極放大電路共漏極放大電路共漏極放大電路共柵組態(tài)基本放大電路共柵組態(tài)基本放大電路第25頁(yè)/共37頁(yè)一般rds很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型:第26頁(yè)/共37頁(yè)以NMOS增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例三極管與場(chǎng)效應(yīng)管三種組態(tài)對(duì)照表：第27頁(yè)/共37頁(yè)

12、比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個(gè)解電路的問(wèn)題了比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個(gè)解電路的問(wèn)題了。 圖中圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和和Rc分別一一對(duì)應(yīng)。分別一一對(duì)應(yīng)。第28頁(yè)/共37頁(yè)直流通路 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)(估算法）：估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID=

13、IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出解出VGS、ID和和VDS。第29頁(yè)/共37頁(yè)微變等效電路微變等效電路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/ /.doo=RIVRoisivsRRRRgALm第30頁(yè)/共37頁(yè) 直流分析直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出由此可以解出VGS、ID和和VDS。與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)與三極管共集電極電路對(duì)應(yīng)直流通路：Rg的作用？第31頁(yè)/共37頁(yè))/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA第32頁(yè)/共37頁(yè)mmooogsogsmoo1/1gRRgRIVRVVVgRVI第33頁(yè)/共37頁(yè)RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVRLmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv第34頁(yè)/共37頁(yè)已知：已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：靜態(tài)分析：解：靜態(tài)分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入?yún)?shù)得：代入?yún)?shù)得：3ID2-7ID+3=0ID=0.57m