北京航空航天大学《电子电路i》第一章[4fetzq]v.ppt

2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,1,BJT,场效应管FET,JFET,MOSFET,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,2,内容组织,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,3,1.4 场效应晶体管（FET）,结型场效应管JFET 金属氧化物半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。,1.4.1 JFET的结构、工作原理和特性,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,4,N,基底 ：N型半导体,两边是P区,G(栅极),S(源极),D(漏极),JFET结构：,导电沟道,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,5,N沟道结型场效应管JFET符号：,根据图标判断N或P沟道的方法：找出沟道；找到方向,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,6,P沟道结型场效应管JFET符号：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,7,N,G,S,D,VDS,VGS,ID,VDS=0V时,但当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,JFET工作原理（以N沟道为例）：,PN结反偏， |VGS |越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,8,VDS=0时,N,G,S,D,VDS,VGS,ID,|VGS |达到一定值时（夹断电压VGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使VDS 0V，漏极电流ID=0A。,JFET工作原理（以N沟道为例）：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,9,N,G,S,D,VDS,VGS,越靠近漏端，PN结反压越大。,ID,VDS0且|VGS | VGS(off) 、VGDVGS(off)时耗尽区的形状。,JFET工作原理（以N沟道为例）：,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,VGD = VGS+VSD,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,10,JFET工作原理（以N沟道为例）：,G,S,D,VDS,VGS,|VGS | VGS(off) VGD=VGS(off)时,ID,VDS增大则被夹断区向下延伸。,漏端的沟道被夹断，称为预夹断。,VGD = VGS+VSD,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，VDS变化时，未夹断区的长度有少量变化，但两端的电压不变，电场强度变化不大，因此ID基本不随VDS的增加而增加，呈恒流特性。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,11,N沟道JFET在vGS=0时的输出特性曲线：,电阻区,沟道预夹断,恒流区,击穿区,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,12,N沟道JFET，VDS对沟道影响,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,13,1.4.2.1 N沟道JFET特性曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,14,转移特性描述的是：vDS一定时，vGS对iD的控制特性。,转移特性方程（不考虑沟道长度调制效应）：,1.4.2.1 转移特性曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,15,1.4.2.2 输出特性曲线,四个区：I区可变电阻区； II区放大区（恒流区）； III区截止区； IV区击穿区；,1. 可变电阻区,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,16,2. 放大区（恒流区）和JFET的大信号特征方程,输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。,放大区,iD随vDS基本不变，但 受沟道长度调制效应影 响，略呈斜升状。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,17,考虑沟道长度调制效应以后的JFET大信号特性方程：,N沟道JFET：,P沟道JFET：,上面两式适用于JFET（属于耗尽型）工作在恒流区。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,18,关于的解释：,JFET的各输出特性曲线 （与BJT类似）也可向外 延伸，共vDS轴交于一点 该点电压记做1/ 。 对N沟道JFET， 1/ 在 iDvDS横坐标负轴上。 对P沟道JFET， 1/ 在 iDvDS横坐标正轴上。 的典型值为: 102 /V,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,19,结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管（MOSFET）可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,20,1.4.3 增强型N沟道MOSFET的结构、工作原理和特性曲线,MOSFET，是由金属（M），氧化物（O），半导体（S） 构成场效应管（FET），故命名为：MOSFET。 MOSFET按照导电沟道的载流子类型可分为N（电子型） 沟道MOSFET（简称NMOS管）和P（空穴型）沟道MOSFET （简称PMOS管）；按照导电沟道形成机理，NMOS管和PMOS 管有各有增强型（简称E型）和耗尽型（简称D型）两种。 因此，就有四种类型的MOSFET，分别叫做：, E型NMOS管 D型NMOS管 E型PMOS管 D型PMOS管,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,21,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,E型NMOS管结构图：,根据图标判断N或P型的方法：找出沟道；找到方向,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,22,预埋了导电沟道,D型NMOS管结构图：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,23,N型基底,两个P区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,E型PMOS管结构图：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,24,预埋了导电沟道,D型NMOS管结构图：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,25,内容组织,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,26,MOSFET的工作原理：,1.4.3.1 vGS的控制作用,自由电子受正电荷吸引向上运动 复合掉P型半导体中的空穴，形成空间电荷区,vGS增大超过VGS(th)后自由电子的浓度大于空穴浓度，形成N型层（反型层）,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,27,VGS(th)是增强型MOSFET开始形成反型层所需的vGS值， 称为开启电压。对E型NMOS管，VGS(th)为正值，对E型 PMOS管，VGS(th)为负值。,反型层出现后，SD极间出现导电沟道，vGS越大，导电沟 道越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，沟道电阻越小。,在满足vDS(vGS-VGS(th)，且vDS为定值的条件下，vGS通过调节导电沟道电阻值控制iD的值，就是转移特性。 转移特性的考察均是在恒流区！,P44页：NMOS为例包括D型和E型,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,28,vGS的控制作用-栅源对沟道的影响演示,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,29,E型NMOS管的转移特性曲线：,vGS越大，导电沟道越厚，电阻越小，iD越大,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,30,1.4.3.2 vDS的控制作用,vDS使沟道内产生电位梯度从而使沟道的厚度不均匀。,条件：vGSVGS(th),vDS增加到vGSVGS(th)时，近D端反型层消失，称为预夹断。,继续增大vDS，夹断点向S极延伸，夹断点和S极的电压不变。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,31,vDS的控制作用（漏源对沟道的影响演示）,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,32,E型NMOS管的输出特性曲线：,I区可变电阻区 II区恒流区（放大区） III区截止区 IV区击穿区,保持vGS为不同固定值时，得到iD随vDS变化的一族曲线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,33,1.4.4 耗尽型NMOS管和增强型PMOS管工作原理,1.4.4.1 D型NMOSFET工作原理,D型NMOS管 和E型NMOS 管结构基本相 同，区别仅在 于导电沟道事 先存在，在 vGS=0的时候， iD也不等于0。 当vGS=VGS(off) 时，导电沟道 消失，iD=0。,vGS=0时iD0,E型,vGS +4,结论：D型-平移关系-E型。转移曲线右移、输出曲线下移。N、P沟道均一样！ （见课本对照表。）,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,34,1.4.4.2 E型PMOSFET工作原理,E型PMOS管和NMOS管 的vGS和vDS电压极性相 反，iD方向也相反。输出 特性曲线的形状相似,输出特性曲线处于第三象限,E型NMOS,N、P原点对称！,D型NMOS,D、E平移！,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,35,1.4.5 MOSFET的大信号特性方程,1.4.5.1 E型NMOSFET,1. 可变电阻区,条件：vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th),电流方程：,式中：n是管子的增益系数，单位为mA/V2,式中：n是NMOS管沟道中电子的迁移率；Cox是 氧化层单位面积电容量；W/L 是沟道宽度与长度之比,（式1.4.4） P43,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,36,vDS很小时（例如vDS0.1V），可简化为：,可见，vDS一定时， iD和vGS成线性关系。,这些特性曲线都近似为直线，直线的斜率由vGS控制,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,37,2. 临界恒流区,条件：vGSVGS(th), vDS=(vGS-VGS(th),以vDS=(vGS-VGS(th)代入式 1.4.4 后，得：,可见iD和vGS成平方率关系。,（式 1.4.7） P43,参见 P41 图 1.4.13 中相应虚线,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,38,3. 恒流区,条件：vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th),iD随vDS增加而稍有斜升，式 1.4.7 可改写成：,（式 1.4.8） P44,式中：是沟道调制系数，典型值为 0.01V-1,参见 P41 图 1.4.13,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,39,1.4.5.2 E型PMOSFET,1. 可变电阻区,条件：vGSVGS(th), |vDS|vGS-VGS(th)|,电流方程：,式中：p是PMOS管沟道中空穴的迁移率；Cox是 氧化层单位面积电容量；W/L 是沟道宽度与长度之比,（式1.4.9）,（式1.4.10）,|vDS|很小时：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,40,2. 恒流区,条件：vGS|vGS-VGS(th)|,（式 1.4.13）,参见 P43 图 1.4.15,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,41,1.4.5.3 D型NMOSFET,可变电阻区特性方程：,恒流区特性方程：,（ = 0）,D型：VGS(off)与E型：VGS(th),2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,42,D型NMOS管饱和漏极电流IDSS为：,和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它们特性的重要 参数。JFET和D型NMOS管都是耗尽型，故用相同的符号 VGS(off)表示夹断电压。增强型管用VGS(th)表示开启电压。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,43,四种 MOS的关系：曲线关系！,E型PMOS。输出特性曲线处于第三象限,E型NMOS,N、P原点对称！,D型NMOS,D、E平移！,思考题：四种MOS管的表达式有何关系？ 课后整理成表格形式！,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,44,1.4.6 MOSFET亚阈区的传输特性,实际上，MOS管存在弱反型层，对NMOS管，在vGSVGS(th)时， 就已有漏极电流iD。这种现象称为亚阈区导电效应。,对数坐标,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,45,亚阈区的特性方程：,（式1.4.19） P46,式中：ID0称为特征电流。 n是与衬底调制有关的因子。约为 1.53 。,亚阈区的跨导 gmsub：,BJT的跨导 gm：,可见，MOS管在亚阈区的放大能力接近于BJT。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,46,1.4.7 MOSFET的体效应和背栅控制特性,在vBS0的情况下，vBS对导电沟道也有一定的控制能力， 这种现象称为体效应或衬底调制效应。,vBS通过改变VGS(th)的值改变 iD的值，因而vBS对iD有控制作 用，B极又称为背栅。,背栅,如：当vBS0时，加BS间反偏电压，使PN结耗尽区扩展增厚，使得VGS(th)的值增加。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,47,对背栅的控制能力通常用跨导比来表示：,式中：gmb表示背栅跨导；gm表示转移跨导。,背栅控制特性表明了MOS管的四极管作用。,1 背栅对iD的控制作用比栅极弱得多。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,48,1.4.8 FET 的小信号模型,1.4.8.1 JFET的小信号模型,小信号条件：Vgsm0.1VGS(off),式中：gm是JFET在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。 rds是JFET在放大区的小信号输出电阻。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,49,式中：gm0是VGS=0时的跨导。,可见，gm是IDSS、VGS(off)和静态工作电流ID决定的。,若：ID=1mA，设=0.01V1 则 rds=100k,因PN结反偏，rgs数值非常大，1081012,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,50,JFET的低频小信号模型：,栅源电阻非常大，可近似认为开路,数值上为gmvgs的受控电流源,输出电阻，沟道长度调制效应引起。,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,51,集成电路中的JFET小信号模型：,2019/6/16,北京航空航天大学202教研室,52,1.4.8.2 MOSFET的小信号等效模型,1. MOS管的等效电容,衬底与漏区的势垒电容 Cbd,衬底与源区的势垒电容 Cbs,G极与源区的电容 Cgs,G极与漏