實(shí)用模擬電子技術(shù)教程第3章電子.ppt

1、實(shí)用模擬電子技術(shù)教程,主編：徐正惠,副主編： 劉希真 張小冰,第一篇 常用半導(dǎo)體器件 介紹常用半導(dǎo)體器件，包括晶體二極管、晶體三極管、場效應(yīng)管和其他半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類、主要性能指標(biāo)、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的命名方法以及主要應(yīng)用。,第3章半導(dǎo)體場效應(yīng)管 學(xué)習(xí)要求： 了解場效應(yīng)管的分類；掌握結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、輸出特性曲線可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)的劃分以及夾斷電壓、飽和漏極電流和跨導(dǎo)等主要參數(shù)的定義；掌握N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管輸出特性曲線三個(gè)區(qū)域的劃分和開啟電壓、跨導(dǎo)等主要參數(shù)的定義；了解上述兩種場效應(yīng)管漏極電流和柵-漏極電壓之間的關(guān)系；學(xué)會(huì)根據(jù)柵極電壓及夾斷電壓（開啟電壓）求解漏極電流

2、的方法。,第一篇 常用半導(dǎo)體器件,場效應(yīng)管分為兩大類：,3.1 場效應(yīng)管的分類,結(jié)型場效應(yīng)管:簡稱JFET，是英文Junction type Field Effect Transistor的縮寫。,絕緣柵型場效應(yīng)管:由金屬-氧化物（二氧化硅）-半導(dǎo)體組成，這些材料的英文是Metal-Oxide-Semiconductor，其縮寫為MOS，因此，絕緣柵型場效應(yīng)管也稱MOS管。,按照工作方式的不同，結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管又分為溝道和溝道兩類，溝道和溝道絕緣柵型場效應(yīng)管又有增強(qiáng)型和耗盡型之分。1975年以后，又開發(fā)了垂直導(dǎo)電型的MOS管，稱為VMOS管。因此，場效應(yīng)管的分類可以用下面的圖表示

3、。,3.1 場效應(yīng)管的分類,1、結(jié)構(gòu),3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,結(jié)型場效應(yīng)管分N溝道和P溝道兩種，右圖是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,*有兩個(gè)PN結(jié)，圖中劃斜線的部分為兩個(gè)PN結(jié)的空間電荷區(qū)（耗盡層）； *兩個(gè)空間電荷區(qū)之間為N型區(qū)，稱為N溝道。,*兩個(gè)P型區(qū)引出電極并連接在一起，稱為柵極G，N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為漏極D和源極S。,2、空間電荷區(qū)的兩個(gè)性質(zhì),3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,討論結(jié)型場效應(yīng)管工作原理之前，首先復(fù)習(xí)PN結(jié)空間電荷區(qū)的兩個(gè)重要性質(zhì)：,（1）空間電荷區(qū)內(nèi)沒有可自由移動(dòng)

4、的電荷，因此不能導(dǎo)電；,（2）空間電荷區(qū)的寬度會(huì) 隨PN結(jié)兩端所加電壓的大小 而變化。,3、場效應(yīng)管工作原理,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,首先討論柵極開路時(shí)的情況：在場效應(yīng)管漏極D和源極S之間加上正電壓VDD ，由于空間電荷區(qū)沒有可以移動(dòng)的電荷，電流僅在N型區(qū)流動(dòng)，因此將N型區(qū)稱為導(dǎo)電溝道。柵極開路情況下，整個(gè)場效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)電阻，這一電阻的大小就決定于N區(qū)（導(dǎo)電溝道）的寬度。,3、場效應(yīng)管工作原理,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,柵極加上負(fù)電壓時(shí) ：兩個(gè)PN結(jié)反向偏置，根據(jù)前面所說的PN結(jié)性質(zhì)，兩個(gè)PN結(jié)的空間電荷區(qū)便會(huì)擴(kuò)

5、大，圖(b)虛線畫出了擴(kuò)大后的空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)的擴(kuò)大，縮小了導(dǎo)電溝道，增加了漏源之間的電阻，因此，在相同漏源極電壓下，柵極加負(fù)壓以后漏源極之間的電流就會(huì)減小。,為什么空間電荷區(qū)的擴(kuò)大是不均勻的？,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,3、場效應(yīng)管工作原理,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,可見，柵極電壓可以控制漏源極之間的電阻，從而也就控制了漏源極之間的電流，場效應(yīng)管因此就具有柵極電壓（輸入電壓）控制漏極電流（輸出電流）的重要功能。,場效應(yīng)管的共源極接法：,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)用

6、時(shí)常接成圖3-5所示的電路，柵極-源極組成輸入回路，漏極-源極和電阻等組成輸出回路，輸入、輸出共用源極，因此稱為共源極接法。,共源極接法時(shí)場效應(yīng)管的輸出特性：,共源極接法時(shí)，場效應(yīng)管的輸出特性是指各種不同柵極電壓UGS時(shí)，漏極電流ID和漏-源極電壓UDS之間的關(guān)系。,特性曲線識(shí)讀：,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,1、截止區(qū),柵極電壓負(fù)向達(dá)到一定的程度，導(dǎo)電溝道被夾斷，這時(shí)漏極電流趨于零。對(duì)應(yīng)于溝道夾斷的柵極電壓，稱為夾斷電壓，用符號(hào)UGS(off)表示（注意N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的UGS(off)是一個(gè)負(fù)數(shù)）。,滿足關(guān)系：,的區(qū)域稱為截止區(qū)。圖中輸出特性曲線UGS(o

7、ff)=5V下面的 區(qū)域即為夾斷區(qū)。,特性曲線識(shí)讀：,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,2、可變電阻區(qū),圖中虛線和坐標(biāo)縱軸圍成的區(qū)域稱為可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)的柵極電壓和漏源電壓滿足以下關(guān)系：,即柵極電壓在零和夾斷電壓之間，漏源電壓小于柵極電壓與夾斷電壓之差。,圖中每條特性曲線上的十字交叉點(diǎn)為柵極電壓等于夾斷電壓絕對(duì)值和柵極電壓絕對(duì)值之差的點(diǎn)，他們是可變電阻區(qū)的邊界點(diǎn)，將它們連起來，即為可變電阻區(qū)的邊界線。,特性曲線識(shí)讀：,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,2、可變電阻區(qū),可變電阻區(qū)的特點(diǎn)是，漏源電阻不僅隨柵極電壓變化，而且也隨漏源極間電壓U

8、DS的變化而發(fā)生顯著的變化，因此，漏極電流不僅與柵極電壓有關(guān)，也隨漏源極電壓UDS變化。,例如，沿著柵極電壓等于-1.0V的曲線，漏源極電壓從0增加到4V，漏極電流從0變化到19mA。,可變電阻區(qū),3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,3、恒流區(qū),圖中虛線右邊，截止區(qū)以上的部分為飽和區(qū)，也稱恒流區(qū)。,這個(gè)區(qū)域的特征是漏極電流ID只決定于柵極電壓，基本上不隨漏源極電壓UDS的變化而變化（恒流特性）。例如，柵極電壓等于-1.0V的曲線，在恒流區(qū)范圍內(nèi)，漏源電壓從4V增加到10V，漏極電流只變化2mA左右。,可變電阻區(qū),漏極電流ID和柵極電壓UGS之間有如下近似關(guān)系：,3.2

9、結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線識(shí)讀,4、擊穿區(qū),不管柵極電壓多大，當(dāng)漏源電壓uDS增大到一定程度時(shí)，漏極電流急劇增加，管子被擊穿，這個(gè)區(qū)域稱為擊穿區(qū)。,場效應(yīng)管的恒流區(qū)相當(dāng)于晶體三極管的放大區(qū)，和三極管的情況類似，場效應(yīng)管工作于恒流區(qū)時(shí)，柵極電壓才表現(xiàn)出對(duì)于漏極電流的調(diào)節(jié)控制作用。,可變電阻區(qū),3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),1、極限參數(shù),（1）最大漏極電流IDM IDM是管子正常工作時(shí)漏極電流的最大值。,（2）擊穿電壓 常用的擊穿電壓有兩個(gè)參數(shù)：使漏源電流急劇上升時(shí)的電壓，稱為漏源極擊穿電壓，用符號(hào)U(BR)DS表示；柵源極之間PN結(jié)反向擊穿電壓即為

10、柵源極擊穿電壓，用符號(hào)U(BR)GS表示。J210的柵源擊穿電壓為25V。,（3）最大漏極耗散功率PDM 即管子保持正常工作所允許的漏極最大功率。,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),2、夾斷電壓UGS(off),是UDS為常數(shù)的情況下，使iD大于零所需的最小柵-源極電壓。廠家手冊(cè)給出的是iD為某一規(guī)定微小電流值（例如5A）時(shí)的柵極電壓。,3、飽和漏極電流IDSS 即為UGS=0時(shí)的電流。,4、低頻跨導(dǎo)gm 漏-源電壓UDS保持不變的情況下，漏極電流變化量ID和引起這個(gè)變化的柵-源電壓變化量UGS之比稱為跨導(dǎo)gm，即,這個(gè)量反映了柵-源極電壓對(duì)于漏極電流的控制作用。,3.

11、2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),低頻跨導(dǎo)gm討論,根據(jù)跨導(dǎo)的定義，可求得漏-源電壓UDS保持不變的情況下柵-源極電壓增加uGS時(shí)，漏極電流相應(yīng)增加量iD ：,上式說明，一只管子的跨導(dǎo)越大，單位柵-源極電壓變化引起的漏極電流的變化就越大?？鐚?dǎo)gm和三極管電流放大倍數(shù)一樣都反映半導(dǎo)體器件輸入量控制輸出量的能力，只不過反映的是基極電流控制輸出端集電極電流的能力，而gm反映的是柵極電壓控制輸出端漏極電流的能力，是無量綱量，gm的單位是安培/伏特。,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),低頻跨導(dǎo)gm討論,如果柵-源極電壓和漏極電流的增加量部分是正弦波信號(hào)，則低頻

12、跨導(dǎo)可以表示為：,式中Id漏極電流交流成分的有效值（即漏極電流的增加量部分） ，Ugs為柵-源極電壓交流成分的有效值（即柵-源極電壓的增加量部分）。 在以后的討論中我們將應(yīng)用增加量是正弦波時(shí)的公式。,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),例3-1 由結(jié)型場效應(yīng)管組成的電路如圖3-7所示，結(jié)型場效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=2V，漏極飽和電流IDSS=2mA，漏極加正壓VDD，柵極加負(fù)電壓，由電壓VGG經(jīng)電位器RP分壓形成，轉(zhuǎn)動(dòng)電位器RP的活動(dòng)端，可對(duì)其數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。試求：,（1）柵極電壓UGS=0.5V時(shí)的漏極電流ID1=？ （2）柵極電壓UGS=0.7V時(shí)的漏極電流I

13、D2=？ （3）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm等于多少？,解：將UGS(off)=2V、IDSS=2mA代入公式（3-3） 即可求得漏極電流ID1和ID2等于：,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管-3.2.3 結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù),例3-1 由結(jié)型場效應(yīng)管組成的電路如圖3-7所示，結(jié)型場效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=2V，漏極飽和電流IDSS=2mA，漏極加正壓VDD，柵極加負(fù)電壓，由電壓VGG經(jīng)電位器RP分壓形成，轉(zhuǎn)動(dòng)電位器RP的活動(dòng)端，可對(duì)其數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。試求：,（3）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm等于多少？,解：跨導(dǎo)等于漏極電流差（ID2ID1）除以柵極電壓差（UGS2UGS2）：,這一結(jié)果表明，柵極電壓1V的變化，將

14、引起漏極電流1.4mA的變化。,3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管,絕緣柵場效應(yīng)管中，我們限于介紹常用的N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管和垂直導(dǎo)電型場效應(yīng)管，首先介紹N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管。,3.3.1 N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,1、結(jié)構(gòu),電路符號(hào),3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.1結(jié)構(gòu)和工作原理,2、工作原理,柵極與源極之間不加電壓時(shí)，漏極與源極之間是兩只背向連接的PN結(jié)，電流無法通過，即使在漏、源之間加電壓，也不會(huì)有漏極電流。,如果在柵極與源極之間加上正電壓（柵極為正），同時(shí)將漏極與源極短接（即UDS=0），這時(shí)柵極電流仍然為零，但在漏源極之間形成反型層，反型層中的電子可以自由

15、移動(dòng)，于是就成為漏極和源極之間的導(dǎo)電溝道。,反型層,形成反型層后給D、S極之間加上電壓，兩極之間就有電流通過。電流的大小決定反型層中電子的數(shù)量，而這一電子數(shù)量受柵極電壓控制，因此，柵極的電壓就實(shí)現(xiàn)了對(duì)漏-源極間電流的控制。,3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.2 特性曲線識(shí)讀,N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管2SK3019的輸出特性曲線識(shí)讀,1、漏極電流表達(dá)式不同 N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，恒流區(qū)中漏極電流iD與柵極電壓uGS之間的關(guān)系近似為：,與結(jié)型場效應(yīng)管相比較，N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管有以下三點(diǎn)不同之處：,上式UGS(th)是導(dǎo)電溝道剛剛形成時(shí)的柵-源極電壓，稱為開啟電壓；IDO是柵-源極間電壓等

16、于二倍開啟電壓時(shí)的漏極電流 ，即,時(shí)的漏極電流。,3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.2 特性曲線識(shí)讀,截止區(qū)： UGS UGS(th) 而且 0 UGS(th) ，而且 UDSUGSUGS(th),結(jié)型場效應(yīng)管幾個(gè)區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)中的夾斷電壓UGS(off)應(yīng)更換為開啟電壓UGS(th)，即修改為：,3、工作于恒流區(qū)時(shí)，柵極電壓極性不同 結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)，柵極為負(fù)壓；N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，正常工作時(shí)，柵極電壓為正，而且要大于開啟電壓UGS(th)。,2、截止區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同,3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.3 主要參數(shù),（2）擊穿電壓 常用的擊穿電壓

17、有兩個(gè)參數(shù)：使漏源電流急劇上升時(shí)的電壓，稱為漏源極擊穿電壓，用符號(hào)U(BR)DS表示；使絕緣層擊穿的電壓，稱為柵源極擊穿電壓，用符號(hào)U(BR)GS表示。結(jié)型場效應(yīng)管，柵源擊穿電壓U(BR)GS表示的是柵源極PN結(jié)的反向擊穿電壓。,（1）最大漏極電流IDM IDM的定義和結(jié)型場效應(yīng)管的相同，是管子正常工作時(shí)漏極電流的最大值。,（3）最大漏極耗散功率PDM 定義和結(jié)型場效應(yīng)管相同，是管子保持正常工作所允許的漏極最大功率。,1、極限參數(shù),3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.3 主要參數(shù),3、漏極電流IDO 是柵-源極電壓等于2倍開啟電壓（UGS=2 UGS(th)）時(shí)的漏極電流。,是UDS

18、為常數(shù)的情況下，使iD大于零所需的最小柵-源極電壓，廠家手冊(cè)給出的是iD為某一規(guī)定微小電流值（如5A）時(shí)的柵極電壓。,4、低頻跨導(dǎo)gm 漏-源電壓UDS保持不變的情況下，漏極電流變化量ID和引起這個(gè)變化的柵-源電壓變化量UGS之比稱為跨導(dǎo)gm，即,2、開啟電壓UGS(th),增加量部分是正弦波信號(hào)時(shí),3.3 N溝道增強(qiáng)型場絕緣柵效應(yīng)管- 3.3.3 主要參數(shù),將UGS=1.2V，UGS(th)=1V，IDO=2.5mA代入上式，即可求得UGS=1.2V時(shí)的漏極電流為ID1：,解：截止區(qū)，漏極電流等于零；恒流區(qū)，漏極電流的表達(dá)式為：,例3-2 已知N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的開啟電壓UGS(th)=1V，漏極電流IDO=2.5mA。 （1）給出截止區(qū)及恒流區(qū)漏極電流的表達(dá)式。 （2）計(jì)算柵極電壓UGS=1.2V時(shí)的漏極電流ID1。,3.4 VMOS場效應(yīng)管,它以高摻雜的N+型硅襯底為漏極D。P型區(qū)和N+型區(qū)都是環(huán)狀的，所引出的電極為源極S。用酸腐蝕掉圖中虛線劃出的部分，形成V型槽，在V型槽上生長一層絕緣層（SiO2層），再覆蓋一層金屬，引出電極作為柵極G。,1、VMOS管的結(jié)構(gòu),VMOS場效應(yīng)管是垂直導(dǎo)電型功率場效應(yīng)管的簡稱。VMOS管既具有MOS結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又有很高的輸出功率，其輸出電流可以達(dá)到幾千安培，是當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的功率場效應(yīng)管之一。,3.4