第04章场效应管.pptx

《第04章场效应管.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第04章场效应管.pptx（67页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、概 述 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管退出第1页/共67页第2页/共67页4.1 MOS场效应管P沟道（沟道（PMOS）N沟道（沟道（NMOS）P沟道（沟道（PMOS）N沟道（沟道（NMOS）MOSFET增强型（增强型（EMOS）耗尽

2、型（耗尽型（DMOS）N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。退出第3页/共67页N+N+P+P+PUSGD4.1.1 增强型MOS场效应管q N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长度W沟道宽度退出第4页/共67页 N沟道EMOS管外部工作条件 VDS0(保证栅漏PN结反偏)。U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。VGS0(形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+-+-+VGSq N沟道EMOS管工作原理栅

3、衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。退出第5页/共67页 N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理假设VDS=0，讨论VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层npVGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。反型层退出第6页/共67页 VDS对沟道的控制（假设VGSVGS(th)且保持不变）VDS很小时VGDVGS。此时W近似不变，即Ron不变。由图VGD=VGS-VDS因此VDSID线性。若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。此时 RonID变慢。PP+N+N

4、+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+退出第7页/共67页当VDS增加到使VGD=VGS(th)时 A点出现预夹断若VDS继续A点左移出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l不变（即Ron不变）。因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+APP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+AVDSID基本维持不变。退出第8页/共67页若考虑沟道长度调制效应则VDS沟道长度l沟道电阻Ron略。因此 VDSID略。由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：I

5、DVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。退出第9页/共67页MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：退出第10页/共67页由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID=f(VGS)VDS=常数转移特性：转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数输出特性：输出特性：q 伏安特性+TVDSIG 0VGSID+-转移特性与输出特性

6、反映场效应管同一物理过程，转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。它们之间可以相互转换。第11页/共67页 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线q非饱和区特点：ID同时受VGS与VDS的控制。当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V当VDS为常数时，VGSID，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。条件：VGSVGS(th)VDSVGS(th)VDSVGSVGS(th)考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。注意：饱和区（又称有源区

7、）对应三极管的放大区。退出第14页/共67页数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：其中：称沟道长度调制系数，其值与l 有关。通常=(0.0050.03)V-1退出第15页/共67页q截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGSVGS(th)ID=0以下的工作区域。IG0，ID0q击穿区 VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿ID剧增。VDS沟道l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。退出第16页/共67页由于MOS管

8、COX很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。MOS管保护措施：分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：TD2D1D1D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。退出第17页/共67页 NEMOS管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制作的控制作用用,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5

9、V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345 转移特性曲线中转移特性曲线中,ID=0 时对应的时对应的VGS值值,即开启电即开启电压压VGS（th）。退出第18页/共67页q 衬底效应 集成电路中，许多集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证管做在同一衬底上，为保证U与与S、D之间之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电沟道）或最高电位（位（P沟道）。沟道）。若|VUS|-+VUS耗尽层中负离子数因VGS不变（G极正电荷量不变）IDVUS=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。

10、PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度表面层中电子数退出第19页/共67页q P沟道EMOS管+-+-VGSVDS+-+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即VDS0、VGS0，VGS正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。退出第22页/共67页4.1.3 四种MOS场效应管比较q电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq转移特性IDVGS

11、0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)退出第23页/共67页q饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型N沟道：VDS0，P沟道：VDS|VGS(th)|，|VDS|VGSVGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区（放大区）工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区（可变电阻区）数学模型退出第25页/共67页q FET直流简化电路模型(与三极管相对照)场效应管G、S之间开路，IG0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on)。FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：三极管输出端等效为流控电

12、流源，满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-退出第26页/共67页4.1.4 小信号电路模型q MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-rds为场效应管输出电阻：由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。与三极管输出电阻表达式相似。rbercebceibic+-+vbevcegmvbe退出第27页/共67页MOS管跨导利用得三极管跨导通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。退出第28页/共67页q计及衬

13、底效应的MOS管简化电路模型考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上 为常数，一般=0.10.2退出第29页/共67页qMOS管高频小信号电路模型当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs栅源极间平板电容漏源极间电容（漏衬与源衬之间的势垒电容）栅漏极间平板电容退出第30页/共67页场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电

14、路法分析电路动态指标。4.1.5 MOS管电路分析方法场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。q 估算法估算法退出第31页/共67页 MOS管截止模式判断方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非饱和模式（需重新计算Q点）N沟道管：VGSVGS(th)截止条件 非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：若|VDS|VGSVGS(th)|若|VDS|VGSVGS(th)，VGSVGS(th)

15、，假设成立。退出第33页/共67页【例2】已知已知VDD=18V，Rs=1 k，Rd=3 k，Rg=3 M，耗，耗尽型尽型MOS管的管的VP=-5 V，IDSS=10 mA。试用。试用估算法估算法求求电路的静态工作点。电路的静态工作点。解：解：不合题意，舍去。退出第34页/共67页【例3】解：解：栅极回路有栅极回路有:设设VDD=15V，Rd=5 k，Rs=2.5 k，R1=200 k，R2=300 k，Rg=10 M，RL=5 k，并设电容，并设电容C1、C2和和Cs足够大。试用足够大。试用图解法图解法分析静态工作点分析静态工作点Q，估算，估算Q点上点上场效应管的跨导场效应管的跨导gm。由图

16、可得VGSQ=3.5V，IDQ=1mA。退出第35页/共67页输出回路列出直流负载线方程：VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID 由转移特性得:开启电压VT=2V；当VGS=2VT=4V时，ID=IDO=1.9mA。由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。或直接由图得：退出第36页/共67页q 小信号等效电路法小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路将FET用小信号电路模型代替计算微变参数gm、rds退出第37页/共67页q 共源放大器共源、共栅和共漏放大器的性能 场效应管电路性能特点、分析方法与三极管放大器相似。场效应管电路

17、性能特点、分析方法与三极管放大器相似。不同之处仅在于，不同之处仅在于，FET管的管的ig=0。RDRGvs+-RL+-voRS+-vigmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo退出第38页/共67页q 接RS的共源放大器RDRGvs+-RL+-voRS+-viR SgmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoRSRo不变不变经推导经推导则则增大增大减小减小退出第39页/共67页q 共栅放大器vs+-RL+-voR SRSRDvi+-vs+-RL+-voR SRSRDgmvgsiiio+-vigsRiii因为因为所以所以而而退出第40页/共67页

18、q 共漏放大器RGvs+-RL+-voRS+-viR SgR SRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss经推导退出第41页/共67页FET三种组态电路性能比较小小大大小小大大大大 1大大大大大大RDRGvs+-RL+-voRS+-viR Svs+-RL+-voR SRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viR S共源共源共栅共栅共漏共漏RiRoAv退出第42页/共67页例例 场效应管放大器电路如图所示，已知工作场效应管放大器电路如图所示，已知工作点的点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电，试画出低频小信号等效电路，并计算增益路，并计算增益Au。退出第43页/共67

19、页带电流负反馈的放大电路带电流负反馈的放大电路(a)电电路路；(b)等等效效电电路路；(c)简简化化等等效电路效电路退出第44页/共67页解(1)该电路的小信号等效电路如图所示。(2)输出电压：式中：式中：故故 放大倍数放大倍数Au为为退出第45页/共67页退出第46页/共67页退出第47页/共67页退出第48页/共67页退出第49页/共67页4.2 结型场效应管q JFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD退出第50页/共67页q N沟道JFET管外部工作条件 VDS0(保证栅漏PN结反偏)VGSVGS(o

20、ff)VDSVGS(off)VDSVGSVGS(off)在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。退出第57页/共67页q截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS0，ID流入管子漏极。P沟道FET：VDS vGSvGS(th)因此当vGSvGS(th)时N沟道EMOS管工作在饱和区。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：（小）交流电阻：（大）Tvi+-+-vRi退出第63页/共67页q N沟道DMOS管GS相连构成有源电阻v=vDS，vGS=0，i=iD由图因此，当vDS 0vGS(th)时，管子工作在饱和区。伏安特性即vGS=0时的输出特性。由得知当vGS=0时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi退出第64页/共67页q 有源电阻构成分压器若两管n、COX、VGS(th)相同，则联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图I1=I2V1+V2=VDDV1+V2=VDD调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。退出第65页/共67页【例1】求图示电路压控电阻，设求图示电路压控电阻，设R1R2。解：解：当R1R2时，则第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页