第五章场效应放大电路PPT课件.ppt
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1、电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室第第5章章 场效应管放大电路场效应管放大电路 5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体 (MOS)场效应管)场效应管5.2 MOSFET放大电路放大电路5.3 结型场效应管(结型场效应管(JFET)电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室 场效应晶体管(场效应晶体管(Field Effect TransistorField Effect Transistor简称简称FETFET):是利用是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件,即是电场效应来控制电流的一种半导体器件,即是电压控制元件电压控制元件电压控制元件电压控制
2、元件。工。工作时,只有一种载流子参与导电,因此它是作时,只有一种载流子参与导电,因此它是单极型器件单极型器件单极型器件单极型器件。BJTBJT是一种是一种电流控制器件电流控制器件电流控制器件电流控制器件,工作时,多数载流子和少数载流子,工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,所以被称为都参与运行,所以被称为双极型器件双极型器件双极型器件双极型器件。FETFET因其制造工艺简单,功耗小,因其制造工艺简单,功耗小,温度特性好,输入电阻极高温度特性好,输入电阻极高,抗辐射能力强抗辐射能力强等优点,等优点,得到了广泛应用得到了广泛应用。第第5章章 场效应管放大电路场效应管放大电路 下一页下一页返回返
3、回上一页上一页电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室场场场场效效效效应应应应管管管管结结结结构构构构结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管 (JFETJFETJFETJFET)P P P P沟道沟道沟道沟道N N N N沟道沟道沟道沟道金属金属金属金属-氧化物氧化物氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管半导体场效应管半导体场效应管 (MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET,绝缘栅场效应管,绝缘栅场效应管,绝缘栅场效应管,绝缘栅场效应管)增强型增强型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型N N N N沟道沟道沟道沟道P P P P沟道沟道沟道沟道N N
4、N N沟道沟道沟道沟道P P P P沟道沟道沟道沟道场效应管的分类场效应管的分类场效应管三极场效应管三极g g 栅极栅极(控制极控制极)s s 源极源极d d 漏极漏极基基 极极 b b发射极发射极 e e集电极集电极 c c晶体管三极晶体管三极下一页下一页返回返回上一页上一页第第5章章 场效应管放大电路场效应管放大电路 耗尽型耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室漏极漏极D 栅极和其栅极和
5、其栅极和其栅极和其它电极及硅它电极及硅它电极及硅它电极及硅片之间是绝片之间是绝片之间是绝片之间是绝缘的,称绝缘的,称绝缘的,称绝缘的,称绝缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效应管。应管。应管。应管。金属电极金属电极1 N1 N1 N1 N沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构栅极栅极G源极源极S5.1.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区SiO2绝缘层绝缘层下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电
6、子学教研室电子学教研室符号:符号:符号:符号:由于栅极是绝缘的,栅极电流几乎为零,输入电阻很高,最高可达由于栅极是绝缘的,栅极电流几乎为零,输入电阻很高,最高可达10101414 。漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅,故又由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅,故又称金属称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管,简称半导体场效应管,简称MOS场效应管。场效应管。下一页下一页返回返回上一页上一页GSD衬底衬底B5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场
7、效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室2 2 N N沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理当当vGS=0V时,漏源之间相当两时,漏源之间相当两个背靠背的个背靠背的 二极管。二极管。SD 当当v vGS GS 0 0 时,时,P P型衬底中的电子受到电型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层,填补空穴形成负离子场力的吸引到达表层,填补空穴形成负离子的耗尽层的耗尽层,同时排斥,同时排斥P P型衬底中的空穴。型衬底中的空穴。当当v vGSGSv vT T时,由于栅极电压较强,在靠近栅极下方的时,由于栅极电压较强,在靠
8、近栅极下方的P P型半导体表型半导体表层中聚集较多的电子,形成一个层中聚集较多的电子,形成一个N N型沟道,将漏极和源极沟通。称为型沟道,将漏极和源极沟通。称为反反型层型层。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流I ID D。N型导电沟道型导电沟道 在在d、s之间加上电压也不会形成之间加上电压也不会形成电流电流,即管子截止。即管子截止。(1)栅源电压栅源电压vGS的控制作用的控制作用下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室N型导电
9、沟道型导电沟道在在VGS=0V时时ID=0,只有当,只有当VGSVT后才会出现漏极电后才会出现漏极电流,这种流,这种MOS管称为管称为增强型增强型MOS管管。下一页下一页返回返回上一页上一页定义:定义:开启电压(开启电压(VT)刚刚产生沟道所需的栅刚刚产生沟道所需的栅源电压源电压VGS。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性:管的基本特性:vGS VT,管子截止,管子截止,vGS VT,管子导通。,管子导通。vGS 越大,沟道越宽,在相同的漏越大,沟道越宽,在相同的漏源电压源电压vDS作用下,漏极电流作用下,漏极电流ID越大。越大。5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效
10、应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室(2)漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用当当vGSvT,且固定为某一值时,来分析漏源电压,且固定为某一值时,来分析漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。vDS=0时,时,iD=0。vDS iD;靠近漏极;靠近漏极d处的电位升高处的电位升高,电场强度减小电场强度减小,沟道变薄沟道变薄,整个沟道整个沟道呈呈楔形分布楔形分布。当当vDS增加到使增加到使vGDvGSvDSvT时,时,沟道靠漏区夹断,称为沟道靠漏区夹断,称为预夹断预夹断。vDS再再,预夹断区加长,预夹断区加长,沟道电阻
11、沟道电阻,iD基本不变基本不变。MOSFET工作原理动画演示工作原理动画演示下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室3 3 3 3 特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线下一页下一页返回返回上一页上一页(1)输出特性及大信号特性方程)输出特性及大信号特性方程 截止区截止区当当vGSVT时时,导导电电沟沟道道尚尚未未形形成,成,iD0,为截止工作状态。,为截止工作状态。输出特性:输出特性:在在vGS一定的情况下,漏极电流一定的情况下,漏极电流iD与漏极电压与漏极电压vDS之间的关
12、系。之间的关系。三个区:三个区:可变电阻区可变电阻区(预夹断前预夹断前)。恒流区恒流区也称也称饱和区饱和区(预夹断(预夹断 后)。后)。截止区截止区(夹断区)。(夹断区)。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室 可变电阻区可变电阻区(vDSvGS-vT)n:反型层中电子迁移率:反型层中电子迁移率Cox:栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容:栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数,单位:为电导常数,单位:mA/VmA/V
13、2 2下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室 饱和区(恒流区又称放大区)饱和区(恒流区又称放大区)vGS GS V VT T ,且,且vDSDS(v vGSGSV VT T)是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V-I I 特性:特性:下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室(2)转移特性曲线)转移特性曲线转移特性:转移特性:在漏极
14、电压在漏极电压vDS 一定的情况下,一定的情况下,栅源电压栅源电压vGS对对漏极电流漏极电流iD的的 控制特性。控制特性。恒流区内,恒流区内,iD受受vGS的影响很小,的影响很小,曲线近似为一条,电流方程如下:曲线近似为一条,电流方程如下:N沟道增强型沟道增强型MOS管正常工作时,管正常工作时,vGS0。线性特性好线性特性好于于BJT下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET符号:符号:在栅极下方的在栅极下方的在栅极下方的在栅极
15、下方的SiOSiOSiOSiO2 2 2 2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当u u u uGSGSGSGS=0=0=0=0时,这些正时,这些正时,这些正时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。如果离子已经感应出反型层,形成了沟道。如果离子已经感应出反型层,形成了沟道。如果离子已经感应出反型层,形成了沟道。如果MOSMOSMOSMOS管在制造时导电沟道就已形成,管在制造时导电沟道就已形成,管在制造时导电沟道就已形成,管在制造时导电沟道就已形成,称为称为称为称为耗尽型场效应管。耗尽型场效应管
16、。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道下一页下一页返回返回上一页上一页1.结构和工作原理结构和工作原理GSDB衬底衬底5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室 工作原理:工作原理:(1 1)由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道,所以在)由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道,所以在V VGSGS=0=0时,若漏时,若漏源源之间加上一定的电压之间加上一定的电压V VDSDS,也会有漏极电流,也会有漏极电流 I ID D 产生。产生。(2 2
17、 2 2)当)当)当)当V V V VGS GS GS GS 0 0 0 0时,使导电沟道变宽,时,使导电沟道变宽,时,使导电沟道变宽,时,使导电沟道变宽,I I I ID D D D 增大;增大;增大;增大;(3 3 3 3)当)当)当)当V V V VGS GS GS GS 0 0 0 0时,使导电沟道变窄,时,使导电沟道变窄,时,使导电沟道变窄,时,使导电沟道变窄,I I I ID D D D 减小;减小;减小;减小;V V V VGSGSGSGS负值愈高,沟道愈窄,负值愈高,沟道愈窄,负值愈高,沟道愈窄,负值愈高,沟道愈窄,I I I ID D D D就愈小。就愈小。就愈小。就愈小。(
18、4 4)当当V VGSGS达到一定负值时,达到一定负值时,N N型导电沟道消失,型导电沟道消失,I ID D=0=0,称为场效应管处于称为场效应管处于夹断状态夹断状态(即截止)。(即截止)。这时的这时的V VGSGS称为夹断电压称为夹断电压,用,用V VP P表示表示。这时的这时的这时的这时的漏极电流漏极电流漏极电流漏极电流用用用用 I I I IDSSDSSDSSDSS表示,称为表示,称为表示,称为表示,称为饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流。下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程
19、系 电子学教研室电子学教研室2 耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线下一页下一页返回返回上一页上一页夹断电压夹断电压5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室N型衬底型衬底P+P+GSD符号:符号:1 P1 P1 P1 P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型 SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当V VGSGS V VT T T T时才形成导电沟道。时才形成导电沟道。
20、下一页下一页返回返回上一页上一页5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室2 P 2 P 2 P 2 P 沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管符号:符号:GSD予埋了予埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子下一页下一页返回返回上一页上一页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应管)场效应管电子与通信工程系电子与通信工程系 电子学教研室电子学教研室耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型GSDGSD增强型增强型增强型增
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