MOSFET原理功率MOS及其应用ppt课件

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2 场效应 管放大电 路
一、场效应管偏置电路
场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS
自给偏置电路： 适合结型场效应管和耗尽型MOS管
外加偏置电路： 适合增强型MOS管
D G
S
1、自给偏置电路
UGS = UG-US = -ISRS ≈ -IDRS
I
D
IDSS (1
UGSQ和IDQ
衬底B
7
二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理 增强型MOS管
一 方 面
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. 动画
当VGS较小时，虽然在P型衬
VDS
六
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
JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压
MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压
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1 MOS场 效应管
7. 低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。
gm

diD dvGS
VDS C
8. 输出电阻rds 9. 极间电容
rds

dvDS diD
VGS C
Cgs—栅极与源极间电容 Cgd —栅极与漏极间电容 Csd —源极与漏极间电容
id gmvgs gds vds
iD
G +
id D +
vgs
gds vds
-
gmvgs
-
S
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2 场效应 管放大电 路
三、三种基本放大电路
1、共源放大电路
（1） 直流分析
UGS = UG-US

R2 R1 R2
ED
-IDRS
ID
IDSS (1
UGS )2 UP
UGSQ和IDQ UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)

R2 R1 R2
ED
-IDRS
注：要求UG>US，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作
23
2 场效应 管放大电 路
二、场效应管的低频小信号模型
由输出特性： iD=f(vGS,vDS)
ΔiD

ΔiD ΔvGS
Δv Δv DS 0
GS

ΔiD ΔvDS
Δv Δv GS 0
DS
ΔiD gmΔvGS gdsΔvDS
降落在沟道中，沟道呈斜线
分布。在VDS作用下形成ID
9
1 MOS场 效应管
另一方面，漏源电压VDS对漏极电流 ID的控制作用
VGD=VGS－VDS
当VDS增加到使VGD=VT时，
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。
当VDS增加到VGDVT时，
UGS UP
)
2
基本自给偏置电路
UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)
RS的作用：1.提供栅源直流偏压。2.提供直流负 反馈，稳定静态工作点。RS越大，工作点越稳定21。
2 场效应 管放大电 路
1、自给偏置电R正路1R偏2提栅供压一U个G
UG

R2 R1 R2
ED
大电阻偏（M置电)，路
减小R1、R2对放大电 路输入电阻的影响
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（2） 动态分析
未接Cs时
AU

Uo Ui
R'D=RD//RL
- gmUgsR'D
=
Ugs + gmUgsRs
RG
- gmR'D
=
1 + gmRs
Ui
R1 R2
Ri=RG+(R1//R2)≈RG Ri
Ro ≈ RD
基本放大电路
G 一般rdsD较I大d 可忽略
rds
gmUgs
S
RD RL Uo
RS
当r输电ds>入压>Id电增R='阻益D-时gmrU'AiAUi=+IUdUUd(=s≈-=ig/IIgUmddUUmRUoR-'oigDU1gs'D+-imUURid)sIUD/1/Udrr/d/oRdrris=sddDssgr-Idmsdr>Rd>Irs'>dDR'(i>g≈'D1(1m1/Ugm(gR1sg(=/1mDr-d/Ursri)Rd≈i1RsR)D/rDsd//r/s1d)s/Ug)mi
道,这种类型的管子称为增强型MOS管
8
1 MOS场 效应管
另一方面，漏源电压VDS对漏极电流
ID的控制作用
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
gmR'S <1 1 + gmR's
AU≈1 输入电阻 ri=RG
R'S=rds//RS//RL≈ RS//RL
gmR'S>>1
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2 场效应 管放大电
路 2、共漏放大电路
基本放大电路
G+ Ugs - S
输出电阻
Ugs= -Uo Ui RG
Io

Uo RS
- gmUgs
=Uo(1/Rs+gm)
ro
3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。
4. 直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅 极电流IGS之比。结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。 5. 漏源击穿电压V(BR)DS: 使ID开始剧增时的VDS。 6.栅源击穿电压V(BR) GS
CD：
1
gm(R // gm(R
RL ) // RL
)
CG： gm(Rd // RL )
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2 场效应 管放大电 路
三种基本放大电路的性能比较
输入电阻：
BJT
CE： Rb // rbe
CC： Rb // rbe (1 )( Re // RL )
CB：
Re
//
1
rbe

输出电阻：
UGS = UG-US

R2 R1 R2
ED
-IDRS
ID
IDSS (1
UGS )2 UP
改进型自给偏置电路
UGSQ和IDQ UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)
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2 场效应 管放大电 路
2、外加偏置电路
R1和R2提供一个固定栅压
偏置电路
UG

R2 R1 R2
ED
UGS = UG-US
Ro
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基本放大电路
未接Cs时
- gmR'D AU = 1 + gmRs
G
D Id
RG
Ugs
rds
gmUgs
Ui
S
RD RL Uo
R1 R2
RS
Ri=RG+(R1//R2) ≈RG Ro ≈ RD
接入Cs时
AU= -gm(rds//RD//RL)
Ri
Ro
Rs的作用是提供直流栅源电压、引 入直流负反馈来稳定工作点。但它 对交流也起负反馈作用，使放大倍
FET CS： Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
CD： Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
CG：
R // 1 gm
CE：
Rc
CC：Re
//
(
Rs
// 1
Rb )


rbe
CB：
Rc
CS： CD： CG：
Ri=RG+(R1//R2) ≈RG 数降低。接入CS可以消除RS对交流
Ro =RD//rds≈ RD
的负反馈作用。
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2 场效应
管放大电 路
2、共漏放大电路
D G
S
基本放大电路
G
S
+ Ugs -
Ui RG
gmUgs rds RS RL Uo
ri
D
电压增益
AU

Uo Ui
gmUgsR'S
=
=
Ugs + gmUgsR's
它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、 寿命长等优点 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。 在大规模及超大规模集成电路中得到广泛的应用。
3
从有无原始导
场效应管的分类： 电沟道上分
从结构上分
MOSFET
增强型
FET 场效应管
(IGFET) 绝缘栅型
VP表示。
VP
iD(mA) VGS(V)
N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS>0
N沟道增强型MOS管只能工作在VGS>0
13
1 MOS场 效应管
耗尽型MOS管
三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
iD(mA)
VP
VGS(V)
转移特性曲线
输出特性曲线
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1 MOS场 效应管
各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线
N
沟
道
绝增
缘 栅
强 型
场P 效沟
应道 管增
强
型 15
1 MOS场 效应管
N 沟 道 耗
绝尽 缘型 栅 场P 效沟 应道 管耗
尽 型
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1 MOS场 效应管
场效应管的主要参数
1. 开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启 电压的绝对值,场效应管不能导通。
2. 夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流 为零。
耗尽型
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
JFET 结型
N沟道
从半导体
（耗尽型） 导电沟道
P沟道
类型上分
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
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1 MOS场
效应管 1 原理介绍
MOS场效应管分类 增强型MOS场效应管 耗尽型MOS场效应管
5
1 MOS场 效应管
MOS场效应管
N沟道增强型的MOS管 P沟道增强型的MOS管 N沟道耗尽型的MOS管 P沟道耗尽型的MOS管
6
1 MOS场
效应管 增强型MOS场效应管
一、N沟道增源强极型S→M绝发OS缘射场栅极效极E应G→管漏基极结绝极D构电缘→B 极层集——电金氧极属化C 物
基体—半导体 因此称之为MOS管
动画 五
MOSFET原理介绍与 应用
1
内容
概述 原理介绍 低频小信号放大电路 功率MOSFET 应用
2
概述
MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）金属-氧化层-半导体-场效应晶体管
电压控制电流型器件（电压产生的电场）
单极型器件（只有一种载流子，N：电子，P：空穴）
形成一层电子层，形成N型导电
VGS
iD
++++ + +++
沟道MO，S在FEVTD是S的利作用用栅下源形成电iD压。 的当大V小GS，>V来T时改, 沟变道半加导厚体，表沟 道下面控电，制感阻iD漏生将减极电进少一电荷，步流的在增相的多加同大少。V小，DS的。从作而用
反型层
----
开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟
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1 MOS场 效应管
耗尽型MOS管
二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理
当VGS=0时，VDS加正向电压，产
生漏极电流iD,此时的漏极电流称为
漏极饱和电流，用IDSS表示。
当VGS＞0时,将使iD进一步增加。
当VGS＜0时，随着VGS的减小漏
极电流逐渐减小，直至iD=0，对应
iD=0的VGS称为夹断电压，用符号
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2 场效应 管放大电 路
3、共栅放大电路
基本放大电路
电压增益 输入电阻
输出电阻
AU≈ gmR'D
r'i ≈1/gm ri≈Rs//1/gm r'o =rds ro=rds//RD≈ RD
gmUgs
S
D
rds G ro
电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输 入电压同相
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2 场效应 管放大电 路
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。
增强型MOS管
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三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 增强型MOS管
输出特性曲线
转移特性曲线
iD=f(vDS)vGS=C
iD=f(vGS)vDS=C
iD(mA)
vDS(V)
vGS/V
当vGS变化时，恒R流ON区将(饱和区)：
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2 场效应
管放大电 路
2 场效应管放大电路
场效应管偏置电路 FET小信号模型 什么要设定一个静态工作点
无静态工作点， 小信号加到栅源 端，管子不工作
静态管工作点设 在输入曲线接近 直线段中点
小信号模型参数 与静态工作点有 关
如果静态工作点设置在此处，信号放大后失真严重，并且 信号稍大就会部分进入截止区

Uo Io
1 1/Rs gm

Rs
//
1 gm
gmR'S 电压增益 AU = 1 + gmR's
输入电阻 ri=RG
gmUgs rds RS RL Uo
D
Io + Ugs -
RS gmUgs
+
Uo -
ro
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2 场效应 管放大电 路
3、共栅放大电路
基本放大电路
SD
gmUgs Id
S
D
G
rds ri r'i G
随之变化，因vG此S一称定时，iD基本 之为可变电阻不区随vDS变化而变化。
iD

I
D0
(
vGS VT
1)2
(vGS VT )
ID0是vGS 2VT时的iD
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1 MOS场
效应管 耗尽型MOS场效应管
一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构
耗尽型MOS管存在 原始导电沟道
+++++++

三种基本放大电路的性能比较
组态对应关系： BJT
FET
CE
CS
CC
CD
CB
CG
电压增益：
BJT
CE：
( Rc // RL )
rbe
CC：
(1 ) ( Re // RL ) rbe (1 )( Re // RL )
CB：
( Rc // RL )
rbe