第三章模拟集成电路精选文档.ppt
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1、第三章模拟集成电路本讲稿第一页,共五十二页第三章第三章 场效应管及基本放大电路场效应管及基本放大电路MOS场效应管场效应管结型场效应管结型场效应管场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路第一节第一节第二节第二节第三节第三节第四节第四节本讲稿第二页,共五十二页第一节第一节 MOS MOS场效应极管场效应极管场效应管场效应管:是仅由一种载流子参与导电的半导体器件,是以输入:是仅由一种载流子参与导电的半导体器件,是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。电压控制输出电流的的半导体器件。1.1.根据载流子来划分:根据载流子来划分:N N沟道
2、沟道器件:电子作为载流子的。器件:电子作为载流子的。P P沟道沟道器件:空穴作为载流子的。器件:空穴作为载流子的。2.2.根据根据结构来划分:结构来划分:结型结型场效应管场效应管JFET:绝缘栅型绝缘栅型场效应管场效应管IGFET:本讲稿第三页,共五十二页(一一)增强型增强型MOSFET结构结构N沟道增强型沟道增强型MOSFET 的结构如图:的结构如图:D为漏极,相当为漏极,相当C;G为栅极,相当为栅极,相当B;S为源极,相当为源极,相当E。一、N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管的工作原理场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为:分为:增强型增强型 N沟道、沟
3、道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道N沟道增强型沟道增强型 MOSFET结构示意图结构示意图栅压为零时栅压为零时有沟道有沟道栅压为零时栅压为零时无沟道无沟道P型硅作衬型硅作衬底浓度较低底浓度较低引出电极引出电极B在在P P型衬底上生成型衬底上生成S Si iO O2 2薄膜绝缘层薄膜绝缘层引出电极引出电极G极极用光刻工艺扩散两用光刻工艺扩散两个高掺杂的个高掺杂的N N型区,型区,从从N N型区引出电极:型区引出电极:S极和极和D极极本讲稿第四页,共五十二页由于由于BS短接短接,G与衬底与衬底B间产生电场,电子被正极板吸引间产生电场,电子被正极板吸引,空穴被空穴被排斥,出现了一
4、薄层负离子的耗尽层。排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子耗尽层中的少子电子,将向表层运动,但数量有限,不足以电子,将向表层运动,但数量有限,不足以形成沟道,所以仍不能形成漏极电流形成沟道,所以仍不能形成漏极电流ID。1栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用漏源之间相当两个背靠背的漏源之间相当两个背靠背的 二极管,二极管,在在D、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流。即间形成电流。即:ID=0(二)(二)工作原理工作原理(1).当当UGS=0V时时:(2).0UGSUT时时:本讲稿第五页,共五十二页(3).当当UGS=UT:(UT 称为开启电压称为开启电压)1.
5、在在UGS=0V时时ID=0;2.只有当只有当UGSUT后才会出现漏极电流,这种后才会出现漏极电流,这种MOS管管称为称为增强型增强型MOS管管。出现反型层出现反型层,与与N形成一体形成一体,形成导电沟道形成导电沟道;当当UDS0时时:D 沟道沟道 S之间形成漏极电流。之间形成漏极电流。(4).当当UGS UT:(UT 称为开启电压称为开启电压)随着随着UGS的继续增加,沟道加的继续增加,沟道加厚厚,沟道电阻,沟道电阻,ID将不断将不断(续)工作原理(续)工作原理结结 论论本讲稿第六页,共五十二页(1).转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作的大小反映了
6、栅源电压对漏极电流的控制作用。用。(2).gm 的量纲为的量纲为mA/V,所以,所以gm也称为也称为跨导跨导。跨导的定义式如下:。跨导的定义式如下:图图03.14 转移特性曲线转移特性曲线gm=ID/UGS UDS=const (单位单位mA/V)(三)(三)特性曲线特性曲线UGS对对ID的控制关系可用如下曲的控制关系可用如下曲线描述,称为线描述,称为转移特性曲线转移特性曲线ID=f(UGS)UDS=const1.转移转移特性曲线特性曲线如图:如图:本讲稿第七页,共五十二页(1).UGS0随随UGS 沟道加厚沟道加厚沟道电阻沟道电阻 ID UDS正向减小,曲线右移,但正向减小,曲线右移,但UD
7、S不同的曲线差别很小不同的曲线差别很小在恒流区在恒流区转移特性曲线中转移特性曲线中ID 与与UDS的关系为:的关系为:ID=K(UGS-UT)2 ;式中式中K为导电因子为导电因子ID=(UGS-UT)2 n COXW/2L短沟道时:短沟道时:ID=K(UGS-UT)2(1+UDS)本讲稿第八页,共五十二页且且UGS固定为某一很小值时:固定为某一很小值时:UDS与漏极电流与漏极电流ID之间呈线性关系。之间呈线性关系。图图03.15(a)漏源电压漏源电压UDS对沟道对沟道的影响的影响(动画2-5)2 2输出特性曲线输出特性曲线 此时有如下关系此时有如下关系:(1)可变电阻区可变电阻区UGSUT:反
8、映了漏源电压反映了漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用:的控制作用:ID=f(UDS)UGS=constID=K(UGS-UT)2UDS 由上式可知由上式可知:UGS一定恒流区内:一定恒流区内:Ron=dUDS/dID|dUGS=0 Ron=L/n COXW(UGS-UT)1.UGS恒定时近似为常数。恒定时近似为常数。2.Ron随随UGS而变化,故称而变化,故称可变电阻区。可变电阻区。本讲稿第九页,共五十二页图图03.16 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线本讲稿第十页,共五十二页 当当UDS=UGS-UT时时:(由于的存在,导电沟道不均匀由于的存在,导电沟道不均匀)此时漏极端的导电
9、沟道将开始消失(称预夹断)此时漏极端的导电沟道将开始消失(称预夹断)(2)恒流区:恒流区:UDS=0或较小时或较小时:(即即UGDUT)当当U UGSGS一定时:一定时:I ID D随随U UDSDS基本不变,基本不变,I ID D恒定称恒流区。恒定称恒流区。当当UDS UGS-UT时时:随随UDS 夹断点向移动,耗尽层的电夹断点向移动,耗尽层的电阻很高(高于沟道电阻)所以新增阻很高(高于沟道电阻)所以新增UDS几乎全部降在耗尽几乎全部降在耗尽层两端,层两端,ID不随不随UDS而变而变。(3)击穿区:击穿区:当当UDS 增加到某一临界值时,增加到某一临界值时,ID (急剧)即(急剧)即D与衬底
10、之间击与衬底之间击穿。穿。本讲稿第十一页,共五十二页漏源电压漏源电压UDS对沟对沟道的影响道的影响图图03.16 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线当当U UGSGSU UT T,且固定为某一值时,且固定为某一值时:UDS对对ID的影响的关系曲线称为的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线。本讲稿第十二页,共五十二页U UGSGS0 0时;时;随着随着U UGSGS的减小漏极电流逐渐减小,的减小漏极电流逐渐减小,直至直至I ID D=0=0。对应。对应I ID D=0=0的的U UGSGS称为夹断称为夹断 电压,用符号电压,用符号U UGS(off)GS(off)表示,有时也用表示,
11、有时也用U UP P表示。表示。N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的结构和符号如图所示,的结构和符号如图所示,(二二)N N沟沟 道道 耗耗 尽尽 型型M M O O S S F F E E T T当当U UGSGS=0=0时;时;正离子已感应出反型层,在漏正离子已感应出反型层,在漏 源之间形成了沟道。只要有漏源之间形成了沟道。只要有漏 源电压,就有漏极电流存在源电压,就有漏极电流存在。(a)结构示意图结构示意图在栅极下方的在栅极下方的SiO2SiO2绝缘层中掺入了大绝缘层中掺入了大量的金属正离子。量的金属正离子。当当U UGSGS0 0时;时;将使将使I ID D进一步增加。
12、进一步增加。本讲稿第十三页,共五十二页图图03.17 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线的结构和转移特性曲线N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的转移特性曲线的转移特性曲线:如图所示如图所示本讲稿第十四页,共五十二页N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线:图图03.18N沟道耗尽型的输出特性曲线沟道耗尽型的输出特性曲线本讲稿第十五页,共五十二页P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道MOSFET完全完全相同。相同。区别是导电的载流子不同,供电电压极性不同。区别是导电的载流子不同,供电电压极性不同。同双极型
13、三极管有同双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。(三三)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET本讲稿第十六页,共五十二页场效应管的特性曲线类型比较多,根据导电沟道不场效应管的特性曲线类型比较多,根据导电沟道不同,以及增强型还是耗尽型同,以及增强型还是耗尽型,可有四种转移特性曲可有四种转移特性曲线和输出特性曲线,其电压和电流方向也有所不同。线和输出特性曲线,其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向,特性曲线就要画在不同的如果按统一规定正方向,特性曲线就要画在不同的象限。象限。为便于绘制,将为便于绘制,将P沟道管子的正方向反过来设定。沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于下图之中
14、。有关曲线绘于下图之中。2.2.伏安特性曲线伏安特性曲线本讲稿第十七页,共五十二页 图图03.18 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型本讲稿第十八页,共五十二页绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型本讲稿第十九页,共五十二页结结型型场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型本讲稿第二十页,共五十二页第二节第二节 结型场效应三极管结型场效应三极管JFET的结构与的结构与MOSFET相似,相似,工作机理也相同。如图工作机理也相同。如图:在在
15、N型半导体硅片的两侧各制造一型半导体硅片的两侧各制造一个个PN结,形成两个结,形成两个PN结夹一个结夹一个N型沟道的结构。型沟道的结构。P区即为区即为栅极栅极;N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极;另一端是另一端是源极源极。图图03.19 结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构一一.结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构:栅极栅极漏极漏极源极源极本讲稿第二十一页,共五十二页 二二.结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理结型场效应管没有绝缘层,只能工作反偏结型场效应管没有绝缘层,只能工作反偏的条件下。的条件下。N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅沟道结型场效应三极管只能工
16、作在负栅压区。压区。P沟道的只能工作在正栅压区,否则将会沟道的只能工作在正栅压区,否则将会出现栅流。出现栅流。现以现以N沟道为例说明其工作原理。沟道为例说明其工作原理。本讲稿第二十二页,共五十二页 栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用4.当漏极电流为零时所对应的栅源电压当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压称为夹断电压UP、这一过程如图这一过程如图02.20所示。所示。1.当当UGS=0时时:耗尽层、沟道宽,沟道电阻小,耗尽层、沟道宽,沟道电阻小,N区电子随区电子随UDS ,产生,产生 ID并并。2.当当UGS0时(即负压)时时(即负压)时:PN结反偏,形成耗尽层,漏源
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