2022-2023学年高二物理竞赛课件：场效应管放大电路

场效应管放大电路 场效应管放大电路 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 结型场效应管（JFET） 砷化镓金属-半导体场效应管 各种放大器件电路性能比较 MOSFET放大电路 场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET). 主要内容: (1)结型场效应管的结构及工作原理 (2)金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理 (3)场效应管放大电路的静态及动态性能分析 学习指导 学习目标： 1. 正确理解各种场效应管的工作原理 2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数 3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置 4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻　 学习方法： 学习本章内容时，应特别注意使用比较和归纳的方法： 1.与三极管及其放大电路进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数、小信号模型等的比较；两种器件组成的放大电路的直流偏置电路及静态、动态分析方法的比较；共射与共源、共集与共漏等放大电路性能的比较）。 2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。 概 述 场效应管与晶体管的区别 1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102~104； 场效应管的输入电阻高，可达109~1014 场效应管的分类 结型场效应管JFET MOS型场效应管MOSFET P沟道 耗尽型 P沟道 P沟道 N沟道 增强型 N沟道 N沟道 （耗尽型） FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 (IGFET) 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 场效应管的分类： 一、N沟道增强型MOS场效应管结构 5.1.1增强型MOS场效应管 漏极D→集电极C 源极S→发射极E 绝缘栅极G→基极B 衬底B 电极—金属 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管 由于栅极与 源极、漏极之间 均无电接触，故 称绝缘栅极。 箭头方向由P（衬底）指向N（沟道） 当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 当VGS=VT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。 二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理 VDS iD + + - - + + - - + + + + - - - - VGS 反型层 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD，即iD≈0. 当VGS>VT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。 开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管 一方面 MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。 增强型MOS管 当VGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。 VDS=VDG＋VGS =－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS 当VDS为0或较小时，相当VGD＞VT ,此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID 增强型MOS管 另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VDS增加到使VGD=VT时， 当VDS增加到VGDVT时， 增强型MOS管 这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。 另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VGD=VGS－VD S 三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 增强型MOS管 iD=f(