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JFET and MOSFET Characteristics for Circuit Design

Explore the characteristics and operation regions of JFET and MOSFET for amplifier design. Learn about structure, parameters, and transfer curves in this detailed guide.

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JFET and MOSFET Characteristics for Circuit Design

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Presentation Transcript

  1. 2N2844 外殼22-03, 形態12 TO-18 (TO-226AA)    (外殼) 3 汲極 2 閘極 1 源極 一般用途之 p-通道 JFETs (頂帽連接器之型態) 2N5457 外殼29-04, 形態5 TO-92 (TO-226AA) 1 汲極 3 閘極 2 源極 JFETs 一般用途 N-通道－空乏 Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-4 JFET的特性規格表 • 外殼結構與端點指示： • 摩托羅拉(Motorola)所提供之2N5457 n-通道 JFET 之特性規格表： 最大功率消耗方程式：PD=VDSID 1

  2. Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-4 JFET的特性規格表 2

  3. 夾止範圍之軌跡 (IDmax) 歐 姆 區 放大器設計 之 正常操作區域 Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-4 JFET的特性規格表 • 線性放大器設計 之 正常操 作範圍： • •特性規格表 與 每一VGS 大小 之夾止範 • 圍所定義的曲線 可規範 汲極特性之線 • 性放大操作區域。 • •歐姆區 定義 每一VGS 之 最小允許VDS • 之值。 3

  4. VGS= 0V→ID= IDSS ID = ½ IDSS → VGS≅ 0.3Vp →VGS= 0V,-0.5V,-1V,-1.5V,-2V 此為 n-通道裝置, 設定顯示 五步級 --- 十步級? (每步級) ID = 0mA→ VGS= Vp Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-5 儀表 • 2N4416 JFET 顯示在 曲線循跡器之汲極特性： • ps：當VGS 愈變愈負時，曲線間的距離愈縮減。 4

  5. 待定參數 分析結構起點→ Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-6 重要關係式 5

  6. (汲極) (絕緣用薄層) n 通道 金屬接點 (Sub Strate) 基體 SS (閘極) P 基體 有時內↓ s 矽 基 板 n 型區域 (源極) Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET • MOSFETs分為 空乏型 與 增強型；這兩種MOSFET有 不同特性 與 不同基本操 作模式。 • 空乏型MOSFET 與 JFET 介於 截止與飽和 IDSS 之間 有相同特性，但有 增加延 伸至相反VGS 極性區域 之特性。 • 基本結構 (n-通道 空乏型 MOSFET)： • •SiO2是一種 特殊的絕緣體 被稱為 • 電介質，當 有外加電場時 即在 電 • 介質內 建立起 反向電場。 • •SiO2之絕緣層 導致 裝置極高之輸 • 入阻抗，值與典型之JFET差不多。 • → 直流偏壓結構下 IG = 0A • •閘極與通道間 的絕緣層 導致裝置 • 之別名： 絕緣閘FET或 IGFET 6

  7. 基本操作與特性： • (n-通道 空乏型 MOSFET) • •VGS偏壓愈負，電子與電洞復合率愈高 ⇒ID↓。(如右圖) • ∴ ，VGS= 0V→ ID= IDSS，VGS< 0V→ ID < IDSS SiO2 層 n-通道 復合過程 (VGS<0) p-材料基體 電洞被吸 引至閘極 之負電位 金屬接點 電子被閘極之 負電位所排斥 Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET 7

  8. 空乏區 增強區 ↑ 增強區 ↓ 空乏區 Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET • •其 汲極電流 與 轉移曲線 和 JFET 相似。 • •VGS>0，將從 p-型基體吸引更多的自由載子-電子(由於逆向漏電流之故)， • 同時加速質點間碰撞產生新載子。 ⇒ VGS>0↑，ID ⇈ > IDSS (如圖) • •因 ID ⇈> IDSS，故須知道最大汲極電流額定值。 • •基於 通道中自由載子數 是否 “增強” ? • → 在 汲極 或 轉移特性曲線 上，正閘極電壓區域 被稱為 增強區 • ，截止與IDSS 飽和值間區域 被稱為 空乏區 8

  9. ⑤ 解：蕭克萊方程式 ①VGS = 0V→ ID = IDSS = 10mA ②ID = 0mA→ VGS= Vp = -4V ③VGS = ½ Vp = ½ (-4V)= -2V → ID = ¼ IDSS = ¼ (10mA)= 2.5mA ④ID = ½ IDSS = ½ (10mA)= 5mA → VGS≅ 0.3Vp = 0.3(-4V)= -1.2V ⑤因VGS>0↑, ID ⇈>IDSS ，故值不可代太大 VGS = +1V→ 將①~⑤點繪製曲線→右圖轉移曲線 ① ④ ③ ② Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET 例題 6.3：畫出 IDSS =10mA 及 VP = -4V，n-通 道空乏型 MOSFET之轉移特性。 9

  10. IDSS= 6mA ⓐ ⓑ ⓒ § 6-7 空乏型 MOSFET • p-通道 空乏型 MOSFET： • •結構 與 n-通道 相反，即有 n-型基體 與 p-型通道。----ⓐ • •所有 電壓極性 與 電流方向 均相反。(VDS<0→ID >0且VGS有相反極性)---ⓐ,ⓒ • •VGS之變號 將導致 轉移特性 (對於ID 軸) 鏡像反射。(VGS↓⇒ ID↑)----ⓑ • •蕭克萊方程式 仍可適用。 10

  11. n-通道 p-通道 § 6-7 空乏型 MOSFET • 符號： • •符號 反映 裝置之真實結構。 • •閘極與通道間所缺乏的直接連接 (由於閘極絕緣) 用 符號之閘極與其他端子 • 間的間隔 來表示。 • •每種型態的通道 有 兩種符號，此反映某些情況下 基體可外接。 11

  12. 2N3797 外殼22-03, 形態2 TO-18 (TO-206AA) 3 汲極 2 閘極 1 源極 MOSFETs 低功率音顏 N-通道－空乏型 Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET • 規格表 與 外殼結構： 12

  13. Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET •因 ID 可超過 IDSS，故規格表通常會提供 某VGS >0時 之典型 ID 值。 13

  14. Boylestad and NashelskyElectronic Devices and Circuit Theory Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc.Upper Saddle River, New Jersey 07458All rights reserved. § 6-7 空乏型 MOSFET 14

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