模电助教版第1章 常用半导体器件FET2.ppt
1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分: 1. IGFET 1.NMOS 增强型 ( 6 种管子) (又称“MOSFET”) 耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2. JFET 1.N沟道 2.P沟道,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分: 1. IGFET 1.NMOS 增强型 ( 6 种管子) (又称“MOSFET”) 耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2. JFET 1.N沟道 2.P沟道,s：Source 源极 d：Drain 漏极 g：Gate 栅极 B：Base 衬底,Metal-Oxide-Semiconductor,Field Effect Transistor,Insulted Gate Type,Junction Type,。 。 。 。 Si P衬底,一、 NMOS,N+ : 。,N+ : 。,Al极 s g d SiO2 B,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1. 结构,三区、三极、两结,:,:,:, UDS ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 开启电压UGS(th)(或UT) 反型层(N型) 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 开启电压UGS(th)(或UT) 反型层(N型) 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 开启电压UGS(th)(或UT) 反型层(N型) 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 开启电压UGS(th)(或UT) 反型层(N型) 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd, 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析),纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,( “漏极特性曲线” ),ID(mA) UDS=UGSUGS(th) 4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS = 4V 1 3V UGS(th) = 2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,（非饱和区）,ID(mA) UDS=UGSUGS(th) 4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS = 4V 1 3V UGS(th) = 2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,ID(mA) UDS=UGSUGS(th) 4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS = 4V 1 3V UGS(th) = 2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,( 放大区、饱和区),ID(mA) UDS=UGSUGS(th) 4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS = 4V 1 3V UGS(th) = 2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,( 放大区、饱和区),(夹断区? ),ID(mA) UDS= 10V 4 2 0 UGS(th) 2 4 6 UGS (V),ID(mA) UDS=UGSUGS(th) 4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS = 4V 1 3V UGS(th) = 2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),3. 伏安特性曲线(定量分析),一、 NMOS,1. 结构,2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,单位 mS （S 西门子）,Al极 s g d SiO2 B,。 。 。 Si P衬底,二、 N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析) 伏安特性曲线(定量分析） 夹断电压UGS(off) (或UP) 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时,N+ : 。,N+ : 。,:, ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,Al极 s g d SiO2 B,。 。 。 Si P衬底,二、 N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析) 伏安特性曲线(定量分析） 夹断电压UGS(off) (或UP) 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时,N+ : 。,N+ : 。,:, ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,Al极 s g d SiO2 B,。 。 。 Si P衬底,二、 N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析) 伏安特性曲线(定量分析） 夹断电压UGS(off) (或UP) 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时,N+ : 。,N+ : 。,:, ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、 NMOS,三、 P沟道MOS场效应管,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分: 1. IGFET 1.NMOS 增强型 ( 6 种管子) (又称“MOSFET”) 耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2. JFET 1.N沟道 2.P沟道,s：Source 源极 d：Drain 漏极 g：Gate 栅极 B：Base 衬底,Metal-Oxide-Semiconductor,Field Effect Transistor,Insulted Gate Type,Junction Type,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) P45 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分: 1. IGFET 1.NMOS 增强型 ( 6 种管子) (又称“MOSFET”) 耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2. JFET 1.N沟道 2.P沟道,P+ N P+,。 。 。 。 。,d g s,一、NJFET,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。, ,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1. 结构 2. 工作机理(定性分析),d g s,VGG UGS ,P+ N P+,。 。 。 。 。, 栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 夹断电压UGS(off) (或UP) RDS= 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。, ,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,IG= 0 RGS= , UDS , , , , , , ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1. 结构 2. 工作机理(定性分析),表面场效应器件 体内场效应器件,d g s,VGG UGS ,P+ N P+,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。, ,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,IG= 0 RGS= , UDS , , , , ,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1. 结构 2. 工作机理(定性分析), 栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 夹断电压UGS(off) (或UP) RDS= 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,表面场效应器件 体内场效应器件,ID d g s,VGG UGS ,P+ N P+,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。, ,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,IG= 0 RGS= , UDS , , , , ,Rd, , , , , , , , , , , , , , ,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1. 结构 2. 工作机理(定性分析), 栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0) 夹断电压UGS(off) (或UP) RDS= 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响 UDS=0时 UDS0时 预夹断,表面场效应器件 体内场效应器件,ID d g s,VGG UGS ,P+ N P+,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。, ,。 。 。 。 。,。 。 。 。 。 。,IG= 0 RGS= , UDS , , , , ,Rd, , , , , , , , , , , , , , , 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),3. 伏安特性曲线(定量分析),一、NJFET,1. 结构 2. 工作机理(定性分析),1.3.2 结型场效应管(“JFET”),表面场效应器件 体内场效应器件,ID(mA) 4 IDSS UDS= 10V 2 UGS(off) 4 -2 0 UGS (V),ID(mA) UDS=UGSUGS(off) 4 UGS = 0V 3 可变电阻区 恒流区 1V 2 2V 1 3V UGS(off) = 4V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),3. 伏安特性曲线(定量分析),一、NJFET,1. 结构 2. 工作机理(定性分析), 输出特性曲线 ID = f(UDS) | UGS=C. 转移特性曲线 ID = f(UGS) | UDS=C.,单位 mS,一、主要参数 开启电压UGS(th)(或UT) 夹断电压UGS(off) (或UP) 饱和漏极电流IDSS | UGS= 0V 时 输入电阻RGS = 低频跨导 gm = ID /UGS 二、场效应的主要特点 输入电阻RGS = 保护措施 电压控制型放大器件(“VCCS”) 单极型电子器件,R,1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.3.2 结型场效应管(“JFET”),直流参数,交流参数,极限参数,例: 共源极放大电路. 分析 iD , uDS .,1.3.4 NMOS应用( “图解法”分析),1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),参考 P58-60,例:共源极放大电路. 分析 iD , uDS .,1.静态工作点( ui = 0V时) 输入静态点: iI = iGS = IGSQ = 0 mA uI = uGS = UGSQ = 4.5V 输出静态点: iO = iD = IDQ = ？ uO = uDS = UDSQ = ？,利用: iD = f(uDS) | uGS = 4.5V uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,1.3.4 NMOS应用( “图解法”分析),1.静态工作点( ui = 0V时) 输入静态点: iI = iGS = IGSQ = 0 mA uI = uGS = UGSQ = 4.5V 输出静态点: iO = iD = IDQ = ？ uO = uDS = UDSQ = ？,利用: iD = f(uDS) | uGS = 4.5V uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,1.静态工作点( ui = 0V时) 输入静态点: iI = iGS = IGSQ = 0 mA uI = uGS = UGSQ = 4.5V 输出静态点: iO = iD = IDQ = ？ uO = uDS = UDSQ = ？,利用: iD = f(uDS) | uGS = 4.5V uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,故 IDQ = 0.9 mA UDSQ = 8.2V,输出回路直流负载线,例:共源极放大电路. 分析 iD , uDS .,1.静态工作点( ui = 0V时) 输入静态点: iI = iGS = IGSQ = 0 mA uI = uGS = UGSQ = 4.5V 输出静态点: iO = iD = IDQ = ？ uO = uDS = UDSQ = ？,利用: iD = f(uDS) | uGS = 4.5V uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,1.3.4 NMOS应用( “图解法”分析),故 IDQ = 0.9 mA UDSQ = 8.2V,例:共源极放大电路. 分析 iD , uDS .,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V) 输出工作点: iO = iD = IDQ id = 0.9 id =？(mA) uO = uDS = UDSQ uds = 8.2 uds =？(V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,1.3.4 NMOS应用( “图解法”分析),故 IDQ = 0.9 mA UDSQ = 8.2V,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V) 输出工作点: iO = iD = IDQ id = 0.9 id =？(mA) uO = uDS = UDSQ uds = 8.2 uds =？(V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V) 输出工作点: iO = iD = IDQ id = 0.9 id =？(mA) uO = uDS = UDSQ uds = 8.2 uds =？(V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,uGS = uI (V) 12V,iD (mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,0.5,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V) 输出工作点: iO = iD = IDQ id = 0.9 id = 0.9 0.3sin t (mA) uO = uDS = UDSQ uds = 8.2 uds = 8.2 2.2sin t (V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,uGS = uI (V) 12V,iD (mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,0.5,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V) 输出工作点: iO = iD = IDQ id = 0.9 id =？(mA) uO = uDS = UDSQ uds = 8.2 uds =？(V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,uGS = uI (V) 12V,iD (mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,2.动态分析( 令 ui = 0.5sin t (V) 时) 输入工作点: iI = iGS = 0 mA uI = uGS = UGSQ ui = 4.5 0.5sin t (V),利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,uGS = uI (V) 12V,iD (mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,ui = 5sint (V) 时 大信号 非线性失真 截止区:缩顶, 可变电阻区:削顶 最大不失真输出幅度 Q中点,iD (mA) 12V 9.5V VDD /Rd = 2 mA B 6V 5V IDQ = 0.9mA Q 4.5V = UGSQ 4V UGS(th) = 3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS (V) UDSQ VDD,3.电子开关 iI = iGS = 0 mA uI = uGS = 方波 时,利用: iD = f(uDS) | uGS = uI uO = uDS = VDD iD Rd 即 iD = uDS /Rd VDD /Rd,uGS = uI (V) 12V,iD (mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,反相器 电子开关,1.3 场效应晶体三极管(“FET”) 1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),例: 共源极放大电路. 分析 iD , uDS .,1.3.4 NMOS应用( “图解法”分析),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3.2 结型
