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模拟电子学基础-第五章.ppt

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模拟电子学基础-第五章.ppt
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工业制造学院测控系,模拟部分,电子技术基础,,5 场效应管放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,5.3 结型场效应管(JFET),*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管,5.5 各种放大器件电路性能比较,5.2 MOSFET放大电路,,场效应管(FET)是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件,具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点。,场效应管(FET)的分类:,按基本结构分,金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET),,结型场效应管(JFET),,增强型,耗尽型,,N沟道,P沟道,,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,,,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.4 沟道长度调制效应,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,,1. 结构(N沟道增强型),图5.1.1a所示为N沟道增强型MOSFET的结构。,L:沟道长度,W:沟道宽度,tox:绝缘层厚度,衬底为低掺杂、电阻率较高的P型硅半导体,用扩散法在P型硅上形成两个高掺杂的N+区,在P型硅上再形成一层SiO2绝缘薄层,在绝缘层上安置一铝电极——栅极g,通常 W L,栅极与源极和漏极均无电接触,故称为绝缘栅极。,,图5.1.1b和c分别为N沟道增强型MOSFET的简图和代表符号。,简图(纵剖面图),电路符号,箭头方向代表P(衬底)指向N(沟道),垂直短划线代表沟道,表示未加适当栅压前漏源间无导电沟道。,,2. 工作原理,(1)vGS=0,没有导电沟道,在图5.1.2a中,vGS=0(即栅源极短接),此时源区、漏区和衬底形成两个背靠背的PN结。,此时,无论vDS的极性,这两个PN结中总有一个处于反偏状态。,当源极s与衬底B相连并结电源VDD的负极,漏极d接VDD的正极时,漏极和衬底间的PN结为反偏,从而漏区和源区间的电阻阻值很大(可高达1012Ω数量级),因此漏源区间的沟道为非导电沟道,即iD=0。,,,,(2)vGS≥VT,出现N型导电沟道,在图5.1.2b中,当vDS=0,若在栅极g和源极s间加上正向电压VGG,则形成以栅极和P型硅衬底为两极,SiO2绝缘层为中间介质的平板电容器。,从而形成一个垂直于半导体表面,由栅极g指向P型衬底的强电场(由于绝缘层很薄)。,由于该电场的方向是排斥空穴,吸引电子,而P型衬底中多数载流子为空穴,因而衬底中接近栅极g的空穴被排斥,衬底中的电子被吸引到栅极g附近,从而在栅极g附近形成耗尽层。,这样当vGS达到一定数值时,就在栅极g附近的P型衬底表面形成一个以电子为多子的N型薄层,,反型层,反型层实际上组成了一个源极s和漏极d间的N型导电沟道,由于它是由vGS感应产生的,又被称为感生沟道。,显然,vGS↑,,反型层厚度↑,,感生沟道电阻值↓,,,因此,感生沟道的出现,实际上将原来被P型衬底隔开的源区和漏区连通,一旦vDS≠0,则将有漏极电流iD产生。,这种在vGS=0时无导电沟道,而必须依靠vGS的作用才能形成感生沟道的FET称为,增强型FET,开启电压VT:,是指在漏源电压vDS作用下开始导电时的栅源电压vGS。,显然,当vGSVT时,iD≈0,场效应管工作在截止区。,(3)可变电阻区和饱和区的形成机制,如图5.1.2c所示,当vGS=VGSVT时:,外加较小vDS时,漏极电流iD将随vDS的上升迅速增大;,随着vDS的上升,由于感生沟道内存在电位梯度,造成沟道厚度并不均匀:,源极s,漏极d,,当vDS增大到一定程度(vGD=vGS﹣vDS=VT)时,靠近漏极d的反型层消失,vDS继续增大将形成夹断区,夹断点向源极s方向移动。,如图5.1.2d所示。,注意:,虽然沟道出现夹断,但夹断区(反型层消失后的耗尽区)内仍可有电流通过,只有将沟道全部夹断,才能使iD=0。,由于当vDS继续增加,夹断点向源极s方向移动,因此夹断区增大,从而导电沟道电阻增大,因而iD基本不变,即iD趋于饱和。,,从输出特性曲线上看,这三个区域分为截止区、可变电阻区和饱和区,如图5.1.3a所示。,截止区:,可变电阻区:,iD随vDS增加迅速上升,饱和区:,iD基本不变,趋于饱和,预夹断:,由可变电阻区进入饱和区时的夹断状况,其临界条件为,或,,3. V-I特性曲线及大信号特性方程,(1)输出特性及大信号特性方程,MOSFET的输出特性:在栅源电压vGS一定时,漏极电流iD与漏源电压vDS间的关系。,图5.1.3b所示为N沟道增强型MOS管的完整输出特性。,根据预夹断的临界条件:,可画出预夹断轨迹,如图中虚线所示。,下面对这三个区域进行讨论。,,① 截止区,当vGS<VT时,导电沟道尚未形成,iD
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