場(chǎng)效應(yīng)管工作原理

會(huì)計(jì)學(xué)1場(chǎng)效應(yīng)管工作原理

1場(chǎng)效應(yīng)管BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱(chēng)為雙極型器件。

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱(chēng)FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。FET分類(lèi)：

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道第1頁(yè)/共26頁(yè)一.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET。分為：

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道

1.N溝道增強(qiáng)型MOS管

（1）結(jié)構(gòu)

4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號(hào)：第2頁(yè)/共26頁(yè)

當(dāng)uGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。（2）工作原理

當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加uGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第3頁(yè)/共26頁(yè)

定義：開(kāi)啟電壓（UT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)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。第4頁(yè)/共26頁(yè)

②轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：iD=f(uGS)uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線(xiàn)作出移特性曲線(xiàn)。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：UT第5頁(yè)/共26頁(yè)

一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上，gm為的曲線(xiàn)的斜率。在輸出特性曲線(xiàn)上也可求出gm。第6頁(yè)/共26頁(yè)

2.N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，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(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)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。第7頁(yè)/共26頁(yè)

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(guò)導(dǎo)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。第8頁(yè)/共26頁(yè)4.MOS管的主要參數(shù)（1）開(kāi)啟電壓UT（2）夾斷電壓UP（3）跨導(dǎo)gm

：gm=iD/uGSuDS=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(dá)109～1015。

第9頁(yè)/共26頁(yè)二.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號(hào)：N溝道P溝道第10頁(yè)/共26頁(yè)

2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓uGS

，令uDS=0

①當(dāng)uGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│uGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│uGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓UP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

第11頁(yè)/共26頁(yè)（2）漏源電壓對(duì)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(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)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(xiàn)來(lái)描繪。

第12頁(yè)/共26頁(yè)（1）輸出特性曲線(xiàn)：iD=f（uDS）│uGS=常數(shù)

3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線(xiàn)uGS=0VuGS=-1V設(shè)：UT=

-3V第13頁(yè)/共26頁(yè)四個(gè)區(qū)：恒流區(qū)的特點(diǎn)：△iD/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱(chēng)飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第14頁(yè)/共26頁(yè)（2）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線(xiàn)作出移特性曲線(xiàn)。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)：第15頁(yè)/共26頁(yè)4.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)

開(kāi)啟電壓UT

UT

是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓UP

UP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UP時(shí),漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場(chǎng)效應(yīng)管,RGS可達(dá)109～1015Ω。（5）

低頻跨導(dǎo)gm

gm反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門(mén)子)。（6）最大漏極功耗PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。第16頁(yè)/共26頁(yè)5.雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管

單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移

少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成第17頁(yè)/共26頁(yè)一.直流偏置電路

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號(hào)不失真2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.自偏壓電路UGS=-IDR

注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計(jì)算Q點(diǎn)：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q點(diǎn)的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

第18頁(yè)/共26頁(yè)2.分壓式自偏壓電路可解出Q點(diǎn)的UGS、ID

計(jì)算Q點(diǎn)：已知UP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場(chǎng)效應(yīng)管電路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：第19頁(yè)/共26頁(yè)二.

場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)模型

與雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管也是一種非線(xiàn)性器件，在交流小信號(hào)情況下，也可以由它的線(xiàn)性等效電路—交流小信號(hào)模型來(lái)代替。

其中：gmugs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對(duì)輸出電流的控制作用。稱(chēng)為低頻跨導(dǎo)。

rds為輸出電阻，類(lèi)似于雙極型晶體管的rce。第20頁(yè)/共26頁(yè)三.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.共源放大電路第21頁(yè)/共26頁(yè)分析：（1）畫(huà)出共源放大電路的交流小信號(hào)等效電路。

（2）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻（4）求輸出電阻則第22頁(yè)/共26頁(yè)（2）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻得

分析：（1）畫(huà)交流小信號(hào)等效電路。

由2.共漏放大電路第23頁(yè)/共26頁(yè)（4）輸出電阻所以由圖有第24頁(yè)/共26頁(yè)本章小結(jié)1．FET分為