电子电路基础II_06

1、1 电子电路基础 II 第六讲 2014.4.3 2 电流源 0 CB v VvCE70. 晶体管工作在放大区晶体管工作在放大区 CB ii 3 BJT镜像电流源镜像电流源 两个晶体管两个晶体管 21BEBE vv 所以所以 21CC II BREFCCo IIIII2 12 BCo III 1 )( 2 12 oBoREF IIII oREF II 时，2 误差：误差： 98 有限，例如 0.98 2 OREFREF III 误差误差2% CCBE REFO VV II R 镜像电流源镜像电流源 实现电路实现电路 通过控制通过控制R值来改变输出电流值来改变输出电流Io的大小的大小 4 减小有

2、限减小有限造成的偏差造成的偏差 2 1 B REFO I II O B I I 2 1 O REFO I II 12 1 O I O I %.020100，误差大约 下降了大约下降了大约倍倍 5 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 1 2 1 1 )( )( )( CC C REF o II I I I 改进型镜像电流源改进型镜像电流源 1. wilson电流源电流源 3131 1 1 ECBCREF IIIII 21CC II 133 1 2 1 CECo IIII 2223 2 2 CBCE IIII 1131 2 1 1 1 1 CCECREF IIIII 6 RE1

3、 IC2 IC1 T1 RE VCC IREF IC T2 T RREF RE2 11 1 E CEREF E R III R 2. 比例电流源比例电流源 为分析方便，假设为分析方便，假设无穷大无穷大 12REFO IRI R 1 2 OREF R II R 22 2 E CEREF E R III R 推广推广 7 3. 微电流源（微电流源（Widlar电路）电路） 21BEBE VV 因此之前的方法不可用因此之前的方法不可用 )ln( 1 S REF TBE I I VV )ln( 2 S o TBE I I VV 为简单起见，忽略基极电流为简单起见，忽略基极电流 )ln( 21 o RE

4、F TBEBE I I VVV EoBEBE RIVV 21 EoBEBE RIVV 21 )ln( o REF TEo I I VRI ln TREF O EO VI I RI 获得小电流获得小电流 8 第六章 场效应晶体管（FET） 9 三端器件 包括：双极型晶体管，场效应管包括：双极型晶体管，场效应管 用途：用途： 信号放大信号放大 用两个端子的电压控制流过第三个端子的电流用两个端子的电压控制流过第三个端子的电流 数字逻辑数字逻辑 使用控制信号使第三端的电流从使用控制信号使第三端的电流从0变化到一个较大的值（开关变化到一个较大的值（开关 电路）电路） 存储电路存储电路 特点特点 BJT：

5、高频、大电流驱动能力：高频、大电流驱动能力 FET：输入阻抗高、功耗低：输入阻抗高、功耗低 10 场效应管的分类 11 场效应管的结构场效应管的结构 绝缘栅型（以绝缘栅型（以MOS管为例）管为例） 增强型增强型 耗尽型耗尽型 结型结型 12 增强型增强型N沟道沟道MOS管结构管结构 3/4个管脚：个管脚： 源源(Source) 栅栅(Gate) 漏漏(Drain) 沟道：长度沟道：长度L(m)，宽度，宽度W (m) 衬底：衬底：P型硅片，掺杂浓度低型硅片，掺杂浓度低 源极、漏极：引自高掺杂浓度源极、漏极：引自高掺杂浓度N型半导体区型半导体区 绝缘层：氧化层，二氧化硅，覆盖在漏、源之间的衬底表面

6、绝缘层：氧化层，二氧化硅，覆盖在漏、源之间的衬底表面 栅极：绝缘层上沉积一层金属层，引出栅极栅极：绝缘层上沉积一层金属层，引出栅极 衬底衬底(Body) 13 在漏极（在漏极（D）和源极（）和源极（S）之间，没有）之间，没有N沟道连接沟道连接 如果在栅极（如果在栅极（G）加上正电位）加上正电位 产生电场产生电场 P型材料里的少子（电子）在电场作用下被吸引到型材料里的少子（电子）在电场作用下被吸引到P型材料与绝缘层型材料与绝缘层 的接面上的接面上 在接面上聚集了大量电子形成反型层（在接面上聚集了大量电子形成反型层（N型）型） 在二个在二个N区之间就形成一个区之间就形成一个N型的长长沟道，把二个型

7、的长长沟道，把二个N区连接起来区连接起来 漏极和源极之间即使加上电压差，漏、源之间也没有电流漏极和源极之间即使加上电压差，漏、源之间也没有电流 通过控制栅极电位，控制沟道宽度，从而控制漏极和源极之间的电流通过控制栅极电位，控制沟道宽度，从而控制漏极和源极之间的电流 增强型增强型P沟道沟道MOS场效应管的原理也相同。场效应管的原理也相同。 如果栅极不加电位如果栅极不加电位 14 15 增强型增强型MOS管符号管符号 特征：特征： 栅极（栅极（G）的电压不加上，漏（）的电压不加上，漏（D）源（）源（S）之间不导通）之间不导通 2. 漏（漏（D）源（）源（S）之间是断开的）之间是断开的 1. G和和

8、D、S都是断开的（因为绝缘层的存在）都是断开的（因为绝缘层的存在） 16 耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管结构管结构 与增强型的区别：与增强型的区别： 预先扩散一层预先扩散一层N型材料，这样源、漏之间有一个型材料，这样源、漏之间有一个N型沟道型沟道 在栅极没有外加电压时，漏、源之间只要有电压，就会有电流在栅极没有外加电压时，漏、源之间只要有电压，就会有电流 当然，同样可以通过控制栅极电压来控制沟道的宽度当然，同样可以通过控制栅极电压来控制沟道的宽度 17 耗尽型耗尽型MOS管符号管符号 特征：特征： 简化模型中，漏源之间是加粗的，表示预先扩散的沟道简化模型中，漏源之间是加粗的，表示预先扩散的沟道

9、 区别于增强型区别于增强型MOS管管 2. 漏（漏（D）源（）源（S）之间是连在一起的）之间是连在一起的 1. G和和D、S都是断开的（因为绝缘层的存在）都是断开的（因为绝缘层的存在） 18 结型结型N沟道场效应管结构沟道场效应管结构 在在N型半导体材料的两侧扩散进重掺型半导体材料的两侧扩散进重掺 杂的杂的P区区 栅极：把两个栅极：把两个P区连接在一起并接上电区连接在一起并接上电 极，作为栅极（极，作为栅极（G） 漏极、源极：在半导体材料的上下两漏极、源极：在半导体材料的上下两 端引出电极分别为漏极（端引出电极分别为漏极（D）和源极）和源极 （S） 电子流通的通道为电子流通的通道为N沟道沟道

10、19 结型场效应管符号结型场效应管符号 N沟道P沟道 特点：栅极（特点：栅极（G）与漏极（）与漏极（D）、源极（）、源极（S）是连在一起的）是连在一起的 没有绝缘层没有绝缘层 20 场效应管的工作原理场效应管的工作原理 增强型增强型N沟道沟道MOS管工作原理管工作原理 衬底中的电子被吸引到衬底表面的薄层衬底中的电子被吸引到衬底表面的薄层 薄层中的空穴被排斥薄层中的空穴被排斥 该薄层内自由电子浓度大于空穴浓度该薄层内自由电子浓度大于空穴浓度 薄层的薄层的P型材料呈现型材料呈现N型材料的导电性能，而且与两边的两个型材料的导电性能，而且与两边的两个 N区相通。习惯上将这一薄层称为反型层区相通。习惯上

11、将这一薄层称为反型层 栅极加正电压栅极加正电压 栅极正电压达到一定的值栅极正电压达到一定的值 此时，如果在漏极与源极之间加上电压此时，如果在漏极与源极之间加上电压VDS，则有电流（，则有电流（ID） 从漏极流向源极从漏极流向源极 21 开启电压开启电压 VGS=VG=Vt VGSVt 沟道形成沟道形成 外加外加VDS，ID0 VGS越大，反型层电子浓度越高，沟道导电能力越强越大，反型层电子浓度越高，沟道导电能力越强 同样的同样的VDS情况下，情况下，ID越大越大 外加小外加小VDS，沟道的形状随沟道的形状随VDS 的变化不大。因此沟道的变化不大。因此沟道 呈现出固定电阻的伏安特性呈现出固定电阻

12、的伏安特性 VGS越大，沟道越宽，电阻越大，沟道越宽，电阻 越小越小 22 预夹断的出现预夹断的出现 加在加在“平板电容器平板电容器”上的电压降沿着沟道发生变化上的电压降沿着沟道发生变化 接近源极的电压差最大，其值为接近源极的电压差最大，其值为VGS， ，相应的沟道也最深 相应的沟道也最深 接近漏极的电压差最小，其值为接近漏极的电压差最小，其值为VGD=VGS-VDS，相应的沟，相应的沟 道最浅道最浅 理想情况理想情况实际情况实际情况 VGS的存在形成一个平板电容器的存在形成一个平板电容器 23 0 DS V 沟道是水平的沟道是水平的 靠近漏极端会出现夹断，反型层消失，整个沟道呈锥形靠近漏极端

13、会出现夹断，反型层消失，整个沟道呈锥形 VDS 增加增加 沟道一端慢慢变窄沟道一端慢慢变窄 DSGSt VVV DSGSt vvv如果继续升高漏极电压，漏极电流达到饱和，不再随如果继续升高漏极电压，漏极电流达到饱和，不再随 漏极电压的升高而增大漏极电压的升高而增大 夹断以后，夹断以后，ID不为零不为零 ID0 电流产生电位差电流产生电位差 沟道变窄沟道变窄 阻抗增加阻抗增加 增加的阻抗和增加的电压相匹配增加的阻抗和增加的电压相匹配 ID饱和饱和 24 说明：说明：1. 一个一个VGS值，对应一条曲线值，对应一条曲线 2. VDS很小，曲线几乎是直线，很小，曲线几乎是直线，ID随随VDS线性增加

14、线性增加 3. VDS增加，曲线弯曲，这是因为对应的沟道电阻值增加，增加，曲线弯曲，这是因为对应的沟道电阻值增加，ID随随 VDS增加变缓增加变缓 4. VDS增加到增加到VGS-Vt，沟道夹断，沟道夹断，ID达到饱和，不再随达到饱和，不再随VDS变化变化 25 2 1 ()() 2 DnoxGStDSDS W iCvv vv L 2 1 ()() 2 DnoxGSt W iCvv L 在变阻区在变阻区 在饱和区在饱和区 2 1 () 2 DnGStDSDS W ikvv vv L 2 1 () 2 DnGSt W ikvv L 上述曲线的表达式上述曲线的表达式 L Wk L WC K nox

15、n n 2 2 26 耗尽型耗尽型MOS管工作原理管工作原理 在栅源之间加上一个负电压，导电沟道就会变浅在栅源之间加上一个负电压，导电沟道就会变浅 () GS voff 夹断电压夹断电压 27 预夹断的出现预夹断的出现 在在VGS没有达到夹断电压时，在漏源之间加上电压没有达到夹断电压时，在漏源之间加上电压VDS 有电流有电流ID， ， VDS增加，增加，ID增加，沟道两端电位差增加，沟道一端变窄增加，沟道两端电位差增加，沟道一端变窄 当当VDS达到一定值之后，沟道被夹断，达到一定值之后，沟道被夹断， ID不再变化不再变化 漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS： 0 GS v 时，时，VDS上升到出

16、现上升到出现 预夹断时所对应的电流预夹断时所对应的电流 28 结型场效应管工作原理结型场效应管工作原理 栅源之间加上一个负电压栅源之间加上一个负电压 导电沟道就变浅导电沟道就变浅 最后出现夹断最后出现夹断 () GS voff 夹断电压夹断电压 PN结反偏，导致耗散层变宽结反偏，导致耗散层变宽 29 预夹断的出现预夹断的出现 在在VGS没有达到夹断电压时，在漏源之间加上电压没有达到夹断电压时，在漏源之间加上电压VDS 有电流有电流ID， ， VDS增加，增加，ID增加，沟道两端电位差增加，沟道一端变窄增加，沟道两端电位差增加，沟道一端变窄 当当VDS达到一定值之后，沟道被夹断，达到一定值之后，

17、沟道被夹断， ID不再变化不再变化 漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS： 0 GS v时，时，VDS上升到出现上升到出现 预夹断时所对应的电流预夹断时所对应的电流 30 场效应管的特性和参数 以增强型以增强型N沟道沟道MOS管为例管为例 特性与三极管相似特性与三极管相似 栅极电流只是绝缘层的漏电流，其电流值近似等于零栅极电流只是绝缘层的漏电流，其电流值近似等于零 在共源（在共源（CS）连接时，其输入阻抗为无穷大，所以没有）连接时，其输入阻抗为无穷大，所以没有 输入特性曲线输入特性曲线 在讨论场效应晶体管的特性时，主要是在讨论场效应晶体管的特性时，主要是输出特性输出特性和和转移特转移特 性性两种两

18、种 31 输出特性 32 变阻区变阻区 tGS Vv tGSDS Vvv 沟道未被预夹断沟道未被预夹断 2 1 () 2 DnGStDSDS W ikvv vv L () DnGStDS W ikvV v L VDS很小，二次项可忽略很小，二次项可忽略 33 饱和区饱和区 GSt vV DSGSt vvV 工作在沟道预夹断后所对应的区域工作在沟道预夹断后所对应的区域 2 1 () 2 DnGSt W ikvv L D i GS v 受受 控制的压控电流源控制的压控电流源 注意注意 1. MOS场效应晶体管的饱和区不要与晶体三极管的饱场效应晶体管的饱和区不要与晶体三极管的饱 和区混淆和区混淆 2

19、. MOS场效应晶体管场效应晶体管 和和 之间是平方的关系，而之间是平方的关系，而 晶体三极管晶体三极管 和和 之间是指数的关系之间是指数的关系 D i GS v C i BE v 34 实际的输出特性曲线是上翘的：实际的输出特性曲线是上翘的： 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 35 2 1 () (1) 2 DnGStDS W ikvVv L 引进厄尔利电压引进厄尔利电压VA，公式修正为，公式修正为 其中其中1 0.005 0.03V 200 30V A V 1 GS D ov DS i r v 常 21 1 () 2 nGSt W kvV L 1 A D D V I I 或者等效为输出阻抗

20、或者等效为输出阻抗 A V 1 36 截止区截止区 GSt vV 沟道尚未形成沟道尚未形成 0 D i 37 耗尽型耗尽型MOS场效应管的输出特性曲线场效应管的输出特性曲线 D v 00 DGS iv时， 注意：注意： 38 结型场效应管的输出特性结型场效应管的输出特性 DGS iv时，0 注意：注意： 是该族曲线中的最大值是该族曲线中的最大值 39 场效应管的转移特性 输入电压和输出电流之间的关系 增强型增强型N 沟道沟道MOS场效应晶体管的转移特性场效应晶体管的转移特性 GSt VV 0 D i GSt VV 2 1 () 2 DnGSt W ikvV L 40 耗尽型耗尽型N 沟道沟道M

21、OS场效应晶体管的转移特性场效应晶体管的转移特性 由输出特性曲线得到转移特性曲线由输出特性曲线得到转移特性曲线 41 场效应管用在放大电路中场效应管用在放大电路中 直流工作点直流工作点Q+小信号小信号 MOSFET基本原理 类型剖面图输出特性转移特性 )( n 常闭 沟增强型 )( n 常开 沟耗尽型 )( p 常闭 沟增强型 )( p 常开 沟耗尽型 G n np D D I 沟道n G n np D D I G p p n D D I G p p n D D I 沟道p D I 0 D V 1 2 3 V4 G V D I 0 D V 2 0 V1 G V 1 0 D I D V 1 2

22、3 V4 G V D I 0 D V 1 2 0 V1 G V 0 Tn V D I Tp V 0 G V D I 0 Tn V D I G V 0 G V D I 类型剖面图输出特性转移特性 )( n 常闭 沟增强型 )( n 常开 沟耗尽型 )( p 常闭 沟增强型 )( p 常开 沟耗尽型 G n np D D I G n np D D I 沟道n G n np D D I G n np D D I G p p n D D I G p p n D D I G p p n D D I 沟道p G p p n D D I G p p n D D I 沟道p D I 0 D V 1 2 3 V

23、4 G V D I 0 D V 1 2 3 V4 G V D I 0 D V 2 0 V1 G V 1 D I 0 D V 2 0 V1 G V 1 0 D I D V 1 2 3 V4 G V 0 D I D V 1 2 3 V4 G V D I 0 D V 1 2 0 V1 G V D I 0 D V 1 2 0 V1 G V 0 Tn V D I 0 Tn V D I Tp V 0 G V D I Tp V 0 G V D I 0 Tn V D I G V 0 Tn V D I G V 0 G V D I 0 G V D I 43 不同种类的场效应晶体管其转移特性不同种类的场效应晶体管其

24、转移特性 N沟道：沟道：ID绝对值随绝对值随vGS上升；上升； P沟道：沟道：ID绝对值随绝对值随vGS下降下降 增强型增强型MOS场效应晶体管的曲线都是离开原点场效应晶体管的曲线都是离开原点 耗尽型耗尽型MOS场效应晶体管的曲线都是穿过场效应晶体管的曲线都是穿过ID轴轴 结型场效应晶体管的曲线都是最大值在结型场效应晶体管的曲线都是最大值在ID轴上轴上 注意注意:这里只是电流大小这里只是电流大小,未考虑方向未考虑方向 44 场效应管的参数场效应管的参数(1) 直流参数直流参数 夹断电压夹断电压 针对耗尽型针对耗尽型MOS管和结型场效应管管和结型场效应管(原先有沟道，加电压使原先有沟道，加电压使

25、 沟道夹断沟道夹断) 耗尽型耗尽型MOS管：相当于增强型中的管：相当于增强型中的 结型：结型： 开启电压开启电压 针对增强型针对增强型MOS管管 饱和漏极电流饱和漏极电流 针对耗尽型针对耗尽型MOS管和结型场效应管管和结型场效应管 栅极和源极短路栅极和源极短路(vGS=0)时，漏源之间的饱和电流时，漏源之间的饱和电流 t V P V )(offVGS )(thVGS t V DSS I 45 场效应管的参数场效应管的参数(2) 直流参数直流参数(续续) 直流输入电阻直流输入电阻 输入端输入端(栅栅-源之间源之间)对直流呈现的阻抗对直流呈现的阻抗 漏源击穿电压漏源击穿电压 漏区与衬底之间的漏区与衬底之