模拟电子技术 04第四章、场效应管放大电路.ppt

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模拟电子技术 04第四章、场效应管放大电路

第四章:场效应管放大电路 基本要求 熟练掌握:共源、共漏组态放大电路工作原理;静态工作点;用小信号模型分析增益、输入、输出电阻  重点:各种场效应管的工作原理 难点:场效应管的小信号模型; 4.1结型场效应管   结型场效应管有N沟道和P沟道两种。   一、特性曲线   (1)输出特性曲线   从输出特性曲线上很明显的得出:场效应管是电压控制型器件,栅源间电压vGS控制漏极电流iD。   (2)转移特性曲线   可直接从输出特性曲线上用作图法求出。 当漏源间短路,栅源间外加负向电压VGS时,结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。随着VGS负向增大,加在PN结上的反向偏置电压增大,则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低,故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽,使得沟道变窄,沟道电阻增大,如图(b)所示。   当VGS负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇,沟道被完全夹断,此时漏源间的电阻将趋于无穷大,如图(c)所示。相应于此时的漏源间电压VGS称为夹断电压,用VGS(off)(或VP)表示。   观看动画 由于导电沟道存在电阻,ID流经沟道产生压降,使得沟道中各点的电位不再相等,于是沟道中各点与栅极间的电压不再相等,也就是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等,近源端PN结上的反向电压最小,近漏端的反向电压最大,结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布,如图(a)所示。   随着VDS的增大,ID增大,沟道不等宽的现象变得明显,当VDS增大到某一值时,近漏端的两个耗尽区相遇,这种情况称为预夹断,如图(b)所示。   继续增大VDS,夹断点将向源极方向延伸,近漏端出现夹断区,如图(c)所示。 由于栅极到夹断点A之间的反向电压VGA不变,恒为VP,因此夹断点到源极之间的电压也就恒为VGS-VP,而VDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上,形成较强的电场。在这种情况下,从漏极向夹断点行进的多子自由电子,一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极,形成漏极电流。   一般情况下,夹断区仅占沟道长度的很小部分,因此VDS的增大而引起夹断点的移动可忽略,夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变,同时,夹断点到源极间的电压又为一定值,所以可近似认为ID是不随VDS而变化的恒值。   观看动画 二、主要参数   夹断电压、饱和漏极电流、低频跨导、输出电阻、最大耗散功率 4.2绝缘栅型场效应管   由于栅极与源极、漏极之间是相互绝缘的,故称为绝缘栅场效应管。 一、MOS管的分类   根据MOS管所用半导体材料的差异,MOS场效应管分为P沟道和N沟道两大类。由于采用的工艺不同,每种材料做的MOS管又分为增强型和耗尽型两种。 二、MOS管的开关作用   MOS管作为开关元件,它工作在截止或导通状态。由于MOS管是电压控制型器件,所以由vGS决定其工作状态。 3.MOSFET的工作原理(以N沟道增强型器件为例)   MOS管是指由金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)三种材料构成的三层器件。 (1)栅源间电压VGS对ID的控制   当栅源间无外加电压时,由于漏源间不存在导电沟道,所以无论在漏源间加上何种极性的电压,都不会产生漏极电流。   正常工作时,栅源间必须外加电压以使导电沟道产生,导电沟道产生过程如下: ①当在栅源间外加正向电压VGS时,外加的正向电压在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场,由于绝缘层很薄(0.1um左右),因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近SiO2一侧P型硅中的多子(空穴)受到排斥而向体内运动,从而在表面留下不能移动的负离子,形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器。 ②随着正向电压VGS的增大,耗尽层也随着加宽,但对于P型半导体中的少子(电子),此时则受到电场力的吸引。当VGS增大到某一值时,这些电子被吸引到P型半导体表面,使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层,鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的,故将它称为反型层。   反型层与漏源间的两个N型区相连,成为漏源间的导电沟道。这时,如果在漏源间加上电压,就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的VGS值称为开启电压,用VGS(on)(或VT)表示。 ③显然,栅源电压VGS越大,作用于半导体表面的电场越强,被吸引到反型层中的电子愈多,沟道愈厚,相应的沟道电阻就愈小。   (2)漏源电压VDS对沟道的影响   ID流经沟道产生压降,使得栅极与沟道中各点的电位不再相等,也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布。   余下情况的分析与JFET类似。   场效应管和半导体三极管一样能实现信号

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