1. 金属- 氧化物- 半导体(MOS )场效应三极管
2. MOSFET 基本共源极放大电路
3. 图解分析法
4. 小信号模型分析法
5. 共漏极和共栅极放大电路
场效应管是一种具有放大作用的元件,它是构成放大电路的基本器件,并且是一种三端器件,所以有时候也称为场效应三极管
在一块掺杂浓度较低的P型半导体基片上的两个区域掺入高浓度的五价杂质元素,形成两个杂质浓度很高的N型区域,然后再在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅绝缘层,再在中间二氧化硅以及两个N型区上面分别安置三个铝电极,它们称为栅极、源极和漏极,常用字母g、s和d表示:
漏极与源极之间需要通过栅极绝缘层之下称为沟道的区域导电,这个沟道的几何尺寸(长度L和宽度W)都是影响场效应管导电特性的重要参数,它们一般在微米数量级,并且宽度尺寸通常大于长度尺寸
这种方式构成的场效应管称为金属-氧化物-半导体(MOS )场效应三极管
为了便于分析,常常采用场效应管的纵向剖面图:
这样的场效应管称为增强型场效应管
一个是增强型还是耗尽。漏极与源极之间的断线表示栅极未加适当电压时,漏极与源极之间的导通沟道是断开的
第二个是N沟道还是P沟道。箭头方向与PN结正向导通方向一致,就是由P指向N,这个箭头是由衬底指向沟道,表示这是N沟道场效应管
如何让漏极和源极之间出现导电沟道是要解决的第一个问题
实际上,沟道的产生,取决于栅极的电压。最常用的一种工作方式就是衬底和源极并接在一起。另外,为了考察栅极电压单独作用的情况,这里也先把漏极和源极短接在一起,然后在栅极和源极之间加一个正电压VGG,也就是栅源电压VGS等于VGG:
当栅源电压增大时,电场增强,导电沟道变厚,沟道的等效电阻减小;反之电场减弱,沟道变厚,等效电阻增大。这种关系反映了栅源电压对沟道的控制作用。
假设栅源电压已经使漏源之间产生了导电沟道,也就是已经有了VGS大于VTN在漏极和源极之间加入电压VDD,就是漏源电压VDS等于VDD:
当VDS从零逐渐开始增大时,便开始有回路电流ID流过导电沟道。由于沟道存在电阻,回路电流在沟道长度方向上的不同位置产生的压降不同,所以沟道从源极到漏极有一定的电位梯度,也就是从源极到漏极,电位逐渐增高,但是栅极电位沿沟道长度方向是相同的,导致栅极与沟道之间的压差出现变化,靠近漏极附近的压差减小,相应的电场强度减弱,沟道变薄:
当VDS继续增大时,靠近漏极的电位继续升高,漏极附近栅极与沟道之间压差也继续减小,这里的沟道变得更薄,沟道倾斜程度加大:
漏极电流ID随漏源电压VDS快速增大,由于沟道电阻略有增加,所以这个关系并不完全是一条直线,而是会略微向水平方向弯曲
当VDS电压增加到使栅漏电压VGD减小到等于开启电压VTN时,紧靠漏极附近的电场,就会减弱到使这里的反型层消失,沟道出现预夹断:
如果继续增大VDS,沟道的电位梯度会继续增大,靠近漏极附近的电场也会继续减小夹断点就会向左移动,夹断区域会向源极方向延伸,沟道电阻也随之明显增大:
截止区
当VGS<VTN时,导电沟道尚未形成,iD=0,为截止工作状态。
可变电阻区
当 VGS>VTN且VDS<VGS−VTN时,这一区域可以用特征方程
iD=Kn[2(VGS−VTN)VDS−V2DS]表示
L — — 沟道长度
由于VDS 较小,可近似为:
饱和区(恒流区或放大区)
在饱和区时,由于漏源电压增加时,沟道夹断区会延伸,有效的沟道长度会变短,这时漏极电流会略有增加,也就是说,饱和区的输出特性曲线会向上倾斜:
将饱和区的特性曲线向左侧做延长线,他们会汇聚到横轴上的一个点VA,称为厄利电压。为了反映这一影响,需要在饱和区的特性方程中乘以一项:
我们已经知道,MOS管工作在饱和区时,可以利用栅源电压对漏极电流的控制关系来实现信号的放大,那么接下来的问题就是如何方便地使MOS管工作在饱和区,信号又是如何输入,如何取出的,它是怎样被放大的。
以N沟道增强型MOS管为例:
静态: 输入信号为零(Vi=0 或 或ii=0)时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态
动态:输入信号不为零时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态
仅有直流电流流经的通路为直流通路:
采用图解法分析静态工作点,必须已知FET的输出特性曲线:
较好的方法并不是试图寻找接地的电极,而是寻找信号的输入电极和输出电极。
即观察输入信号加在哪个电极,输出信号从哪个电极取出,剩下的那个电极便是共同电极。如:
共源极放大电路,信号由栅极输入,漏极输出;
共漏极放大电路,信号由栅极输入,源极输出;
共栅极放大电路,信号由源极输入,漏极输出。
栅极始终不能做输出电极,漏极不能做输入极
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