电子线性电路第3章场效应管ppt课件

.,1,第三章,场效应管,.,2,概述,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它比BJT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。,场效应管与三极管主要区别：后述。,场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不高，在许多场合不能满足要求。,场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FET靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。三极管是两种载流子导电。,.,3,FET优点：输入电阻大（Ri1071012）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。,场效应管：压控电流源器件（ID=gmVGS）。三极管：流控电流源器件（IC=IB）。FET利用输入回路的电压（电场效应）来控制输出回路电流的器件，故此命名。,概述,.,4,3.1MOS场效应管,N-MOS管与P-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。,N沟道,P沟道,N-JFET,P-JFET,分类：,金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）,.,5,3.1.1N沟道增强型MOS场效应管,N-EMOSFET结构示意图,.,6,MOS管外部工作条件:两个PN结反偏。N-EMOS管为：,VDS0(保证栅漏PN结反偏)。,B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)。,1、由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管(M-O-S)。,2、栅极有SiO2绝缘层，或简称I-G-FET场效应管。,.,7,3.1.1N沟道增强型（EMOS）管,说明,MOS管衬底一般与源极相连使用；,栅极和衬底间形成电容。,一.工作原理,1、沟道形成原理。(1)设VDS=0，当VGS=0时，iD=0。图(a),3.1绝缘栅型场效应管（MOS管）,.,8,(2)当VGS0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b),若VGS0（正栅源电压）,耗尽层，如图(b)所示。,(3)开启电压VGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。,VGS,反型层加厚,沟道电阻变小。,当VGS,耗尽层加宽,反型层,N型导电沟道，,如图(C)所示。,VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。,.,9,2、当VGSVGS(th)且一定时，VDS对沟道导电能力iD的影响。,VDS,VGD,沟道变窄,若VGD=VGS(th),预夹断,VDS,（假设VGSVGS(th)且保持不变）,.,10,VDS,夹断区加长，沟道变短,预夹断前：,ds间呈电阻特性,预夹断后：,VGDVGS(th),在VDSVGSVGS(th)时，夹断点到的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件,源漏极可以互换。,.,15,3.1.3EMOS场效应特性,一、伏安特性,转移特性曲线,输出特性曲线,非饱和区：vGSVGS(th)0VGS(th)vDSvGSVGS(th)截止区：iD=0击穿区：vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿,.,16,NEMOS管输出特性曲线,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；,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。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,.,17,数学模型：,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：,VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：,其中，W、l为沟道的宽度和长度。,COX(=/OX)为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,.,18,饱和区,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,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)对应三极管的放大区。,.,19,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,.,20,看成压控电流源,.,21,例在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG11.2M，RG20.8M，RS4k，RD10k，VDD20V，管子参数为CoxW/(2l)0.25mA/V2，VGS(th)2V，试求ID。,解,设MOS管工作在饱和区,，舍去,.,22,截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGSVGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0，ID0,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。,.,23,由于MOS管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：,D1D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。,.,24,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th)=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用，可由输出特性转换得到。,VDS=5V,转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。,.,25,亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阈区或弱反型层区。一般应避免工作在此区域,.,26,衬底效应,某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th)相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。,.,27,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即VDS0，vGS正向增加，iD增加；沟道：衬底接最高电位，iD为空穴电流，vDS|VGSVGS(th)|,若|VDS|VGSVGS(th)，,VGSVGS(th)，,假设成立。,.,42,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；,注：具体分析将在第4章中详细介绍。,.,43,.,44,3.2结型场效应管,P沟道JFET,N沟道JFET,.,45,3.2.1工作原理,沟道JFET：正常工作时，P+N结反偏，阻挡层主要向低搀杂的区扩展，在vDS的作用下形成电流iD。搀杂浓度越低，VGS(off)越大（绝对值越小）。随着vDS的增加，近漏端被夹端时，JFET沟道的导电能力受vGS和vDS的控制与MOS相似。,非饱和区,饱和区,沟道未形成,沟道形成,.,46,3.2.2伏安特性曲线,输出特性曲线：,一、非饱和区,.,47,转移特性曲线,二、饱和区,计及沟道长度调制效应,JFET看作压控电流源,三、截止区,四、击穿区,vGSVGS(off)，iD=0,随着vDS增加，近漏端PN结发生雪崩击穿，vGS越负，V(BR)DS越小,.,48,3.3场效应管应用原理,3.3.1有源电阻,N沟道EMOS管构成有源电阻：,注意区分有源电阻的直流电阻和交流电阻。,伏安特性：,N沟道DMOS管构成有源电阻：,.,49,用有源电阻接成的分压器：,若两管工艺参数相同，则,.,50,3.3.2MOS开关,NMOS管工作在非饱和区，导通电阻：,由于vGSvG-vI，vGS随着vI的增大而减小，使Ron增大，当vGS接近VGS(th)时，Ron迅速增大。同理，若采用PMOS开关，Ron随着vI的减小而增加。,NMOS导通电阻,CMOS开关导通电阻,.,51,MOS开关应用举例：开关电容电路,S1和S2轮流导通，在一个时钟周期内从输入端到输出端的平均电流为,该开关电容电路可等效为一个电阻,.,52,3.3.3逻辑门电路,一、CMOS反相器,逻辑符号,电路,二、CMOS或非门,逻辑符号,电路,.,53,三、CMOS与非门,逻辑符号,电路,四、CMOS传输门,逻辑符号,电路,.,54,五、锁存器,结构图,电路图,.,55,器件部分小结,半导体物理基础知识了解：本征半导体杂质半导体本征激发掺杂漂移、扩散本征热平衡载流子浓度质量作用定律电中性方程,.,56,了解：PN结的形成二极管特点单向导电性掌握：PN结的特性V-I击穿电容温度