模电第三章场效应管及其基本电路PPT课件

06.06.2020,.,1,第三章场效应管及其基本电路,（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。,06.06.2020,.,2,场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。,场效应管FET(FieldEffectTransistor),结型场效应管JFET,绝缘栅场效应管IGFET,双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。,06.06.2020,.,3,JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,IGFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,FET,输入电压,输出电流,06.06.2020,.,4,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,分类：,06.06.2020,.,5,31结型场效应管,311结型场效应管的结构及工作原理,(a)N沟道JFET,图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号,Gate栅极,Source源极,Drain漏极,箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向,ID,实际流向,结型场效应三极管的结构.avi,06.06.2020,.,6,(b)P沟道JFET,图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号,ID,实际流向,06.06.2020,.,7,图3-1结型场效应管的结构示意图和符号,06.06.2020,.,8,3.1.2工作原理,图4-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意,1.UGS对导电沟道的影响,06.06.2020,.,9,N,D,G,S,P,P,(a)UGS=0，沟道最宽,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,06.06.2020,.,10,(b)UGS负压增大，沟道变窄,D,S,P,P,U,GS,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,横向电场作用：,UGSPN结耗尽层宽度沟道宽度,06.06.2020,.,11,(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,D,S,P,P,U,GS,UGSoff夹断电压,06.06.2020,.,12,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线,06.06.2020,.,13,2.ID与UDS、UGS之间的关系,图3-3UDS对导电沟道和ID的影响,06.06.2020,.,14,312结型场效应管的特性曲线,一、转移特性曲线,式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。,恒流区中：,uGS0，,iD0,06.06.2020,.,15,2.转移特性曲线,图4-5N沟道结型场效应管的转移特性曲线,06.06.2020,.,16,根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。,06.06.2020,.,17,二、输出特性曲线,1.可变电阻区,iD的大小同时受uGS和uDS的控制。,预夹断前所对应的区域。,uGS0，,uDS0,06.06.2020,.,18,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线,06.06.2020,.,19,当uDS很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；,当uDS较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。,06.06.2020,.,20,2.恒流区,iD的大小几乎不受uDS的控制。,预夹断后所对应的区域。,06.06.2020,.,21,(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。,(2)uGS固定，uDS增大，iD增大极小。,06.06.2020,.,22,4.击穿区,随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。,当UGS0，二者符合平方律关系。,iD0,06.06.2020,.,31,式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。,06.06.2020,.,32,iD,0,(a).转移特征曲线:,06.06.2020,.,33,三、输出特性,(1)截止区,uDS0,uGSUGSth,uGDUGSth（或uDSUGSth,uGDuGS-UGSth）,06.06.2020,.,36,G,D(1V),S(0V),432.51.5,设,06.06.2020,.,37,323N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET),式中：,ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。,06.06.2020,.,38,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,06.06.2020,.,39,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,06.06.2020,.,40,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,(,c,),D,G,S,B,06.06.2020,.,41,324各种类型MOS管的符号及特性对比,06.06.2020,.,42,图311各种场效应管的符号对比,06.06.2020,.,43,i,D,u,G,S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,D0,U,G,S,th,结型,P,沟,耗尽型,P,沟,增强型,P,沟,MOS,耗尽型,N,沟,增强型,N,沟,MOS,结型,N,沟,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比,(a)转移特性,N沟道：,P沟道：,06.06.2020,.,44,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比,u,D,S,i,D,0,线性可变电阻区,0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,结型,P,沟,耗尽型,MOS,P沟,3,4,5,6,0,1,2,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,结型,N,沟,耗尽型,增强型,MOS,N沟,U,GS,/,V,U,GS,/,V,增强型,(b)输出特性,N沟道：,P沟道：,06.06.2020,.,45,33场效应管的参数和小信号模型,331场效应管的主要参数,一、直流参数,1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数,(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：,(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。,2.增强型MOSFET的主要参数,对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。,06.06.2020,.,46,3.输入电阻RGS,对结型场效应管，RGS在1081012之间。,对MOS管，RGS在10101015之间。,通常认为RGS。,二、极限参数,(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。,(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。,(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,06.06.2020,.,47,图311各种场效应管的符号对比,06.06.2020,.,48,三、交流参数,1跨导gm,对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为,那么，对应工作点Q的gm为,式中，IDQ为直流工作点电流。,直流工作点电流IDQ，gm。,06.06.2020,.,49,而对增强型MOSFET，其电流方程为,那么，对应工作点Q的gm为,直流工作点电流IDQ，gm。,06.06.2020,.,50,2.输出电阻rds,恒流区的rds可以用下式计算：,其中，UA为厄尔利电压。,06.06.2020,.,51,图311各种场效应管的符号对比,06.06.2020,.,52,图38输出特性,u,D,S,i,D,0,U,G,S,U,A,(,厄,尔利电压,),(b)厄尔利电压,06.06.2020,.,53,若输入为正弦量，上式可改写为,通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则,332场效应管的低频小信号模型,06.06.2020,.,54,r,ds,(,a,),g,m,U,gs,U,ds,I,d,D,S,(,b,),g,m,U,gs,U,o,I,d,D,S,图313场效应管低频小信号简化模型,06.06.2020,.,55,34场效应管放大器,341场效应管偏置电路,偏置方式,自偏压方式,混合偏置方式,确定直流工作点方法,图解法,解析法,适宜JFET、DMOSFET,适宜JFET、DMOSFET、EMOSFET,06.06.2020,.,56,图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式,06.06.2020,.,57,一、图解法,栅源回路直流负载线方程,1.对于自偏压方式,2.对于混合偏置方式,栅源回路直流负载线方程,06.06.2020,.,58,图解法,06.06.2020,.,59,2.对于混合偏置方式,图解法,栅源回路直流负载线方程,06.06.2020,.,60,解析法,已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点.例如对于自偏压方式,如：,06.06.2020,.,61,图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路,342场效应管放大器分析,一、共源放大器,06.06.2020,.,62,图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路,06.06.2020,.,63,式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为,若gm=5mA/V，则Au=50。,06.06.2020,.,64,06.06.2020,.,65,例场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,06.06.2020,.,66,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,(a),06.06.2020,.,67,06.06.2020,.,68,1.放大倍数Au,所以,06.06.2020,.,69,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,06.06.2020,.,70,图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路,二、共漏放大器,06.06.2020,.,71,图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路,(,b,),06.06.2020,.,72,1.放大倍数Au,式中：,故,所以,06.06.2020,.,73,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,2.输出电阻Ro,06.06.2020,.,74,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,06.06.2020,.,75,由图可见,式中：,所以，输出电阻为,06.06.2020,.,76,3.输入电阻,06.06.2020,.,77,06.06.2020,.,78,新型半导体MOS器件研究,06.06.2020,.,79,1958年集成电路发明以来,为了提高电子集成系统的性能，降低成本(1)集成电路的特征尺寸不断缩小，制作工艺的加工精度不断提高(2)同时硅片的面积不断增大(3)40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，晶体管尺寸按0.7的因子减小。(4)集成电路芯片的特征尺寸已经从1978年的10m发展到现在的0.130.08m；硅片的直径尺寸也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸发展到12英寸。更新的预测表明,到2016年,MOS的沟道长度将缩小到20nm以下.,06.06.2020,.,80,MOS器件缩小到亚100nm面临许多挑战,有很多问题需要解决:(1)SCE(短沟道效应);(2)DIBL(漏场感应势垒降低)效应;(3)氧化层的可靠性;(对器件的静态功耗产生影响);(4)量子效应;(使栅电容减小);(5)杂质数涨落;(杂质数统计起伏对器件性能影响).,06.06.2020,.,81,06.06.2020,.,82,高K栅介质MOS器件(1)随着半导体器件特征尺寸的缩小，SiO2栅氧化层厚度也相应地减薄。这时电子的隧穿电流更趋明显,传统的二氧化硅栅介质已经无法满足半导体器件的要求;(2)寻找高性能的、与半导体制备工艺兼容的高介电常数的绝缘栅介质替代传统的二氧化硅介质，已成为新型MOS器件研究领域的前沿研究课题.,06.06.2020,.,83,06.06.2020,.,84,平面双栅MOSFET,06.06.2020,.,85,其结构上的特点是:(1)均匀且薄(1025nm)的硅沟道;(2)厚的源漏扇出结构,以减少串联电阻;(3)顶栅和底栅之间能很好地对准,这一点对于双栅MOSFET来说很重要,因为如果顶栅和底栅之间不能很好地对准,就会产生附加的源漏区覆盖电容,并减小器件的电流驱动能力。平面双栅器件的优点是:可以更有效地抑制短沟道效应;两个栅可以和沟道相互耦合,以增加互导。一般来说,双栅MO