模拟电子线路MOS场效应管PPT学习教案

1、会计学1 模拟电子线路模拟电子线路MOS场效应管场效应管 q N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图 N + N + P+P+ P USGD 源极 漏极衬底极 SiO2 绝缘层 金属栅极 P型硅 衬底 S G U D 电路符号电路符号 l 沟道长度 W 沟道宽度 第1页/共37页 源极源极 S ( Source ) 漏极漏极 D （Drain） 衬底引线衬底引线 U 栅极栅极 G ( Gate ) N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管场效应管 的结构示意图的结构示意图 第2页/共37页 N沟道EMOS管外部工作条 件 VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)。 U接电路最低电位或与S极相连

2、(保证源衬PN结反偏)。 VGS 0 (形成导电沟道) P P+N+N+ SGD U VDS - + - + - +- + VGS q N沟道EMOS管工作原理 栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多 少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况， 以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。 。 第3页/共37页 工作原理分析：工作原理分析： ( (1) )VGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠 背的背的 PN 结，无论漏源之间加结，无论漏

3、源之间加 何种极性电压，何种极性电压，总是不导电总是不导电。 S U D 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 第4页/共37页 VGG ( (2) ) VDS = 0，0 VGS p VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。 反型层 第7页/共37页 VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th) 且保持不变） VDS很小时 VGD VGS 。此时沟道深度近似不变，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 Ron ID 变慢。 P P+N+ N+ S G

4、D U VDS - + - + VGS - + - + P P+N+ N+ S GD U VDS - + - + VGS - + - + 第8页/共37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： P P+N+ N+ S GD U VDS - + - + VGS - + - + A P P+N+ N+ S GD U VDS - + - + VGS - + - + A VDS ID 基本维持不变

5、。 第9页/共37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 VDS ID略。 由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线： I D VD S 0 VGS VGS(th) VGS一定一定 曲线形状类似三极管输出特性。 第10页/共37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： 第11页/共37页 由于MOS管栅极电 流为零，故不讨论输入 特性曲线。

6、 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 + T VDS IG 0 VGS I D + - 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过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。程，它们之间可以相互转换。 第12页/共37页 NEMOS管输出特性曲管输出特性曲 线线 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/m A VDS /V 0 VDS = VG

7、S VGS(th) VGS =5V 3.5V 4V 4.5 V 当VDS为常数时，VGS ID ，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： VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(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（又称放大区）对应三极管的放大区。 第15页/共37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： 2 GS(th)GS OXn D )( 2 VV l WC I A DS 2 GS(th)GS OXn D

8、 1)( 2V V VV l WC I DS 2 GS(th)GS OXn 1)( 2 VVV l WC 其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 0.03 )V-1 第16页/共37页 q 截止区 特点： 相当于MOS管三个电极断开。 ID/m A VDS /V 0 VDS = VGS VGS(th) VGS =5V 3.5V 4V 4.5 V 沟道未形成时的工作区 条件： VGS VGS(th) ID=0以下的工作区域。 IG0，ID0 q 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。 第17页/共

9、37页 第18页/共37页 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： T D2 D1 D1 D2一方面限制VGS间 最大电压，同时对感 生 电荷起旁路作用。 第19页/共37页 NEMOS管转移特性曲管转移特性曲 线线 VGS(th) = 3V VDS = 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的控制的控制 作用作用, ,可由输出特性转换得

10、到。可由输出特性转换得到。 ID/m A VDS /V 0 VDS = VGS VGS(th) VGS =5V 3.5V 4V 4.5 V VDS = 5V ID/mA VGS /V 012345 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, ,即开启即开启 电压电压VGS（ （th） 。 。 第20页/共37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）或最高沟道）或最高 电位（电位（P沟道）。沟道）。 若|

11、 VUS | - - + VUS 耗尽层中负离子数 因VGS不变（G极正电荷量不变）ID VUS = 0 ID/mA VGS /VO - -2V - -4V 根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。 P P+N+ N+ SGDU VDS VGS - - + - - + 阻挡层宽度 表面层中电子数 第21页/共37页 q P沟道EMOS管 + -+ - VGS VDS + - + - S G U D N N+P+ SGD U P+ 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 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可 。 外部工作条件： DMO

12、S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。 第24页/共37页 q 电路符号及电流流向 S G U D ID S G U D ID U S G D ID S G U D ID NEMOSNDMOSPDMOSPEMOS q 转移特性 I D VGS0 VGS(th) I D VGS0VGS(th) I D VGS0 VGS(th) I D VGS0VGS(t h) 第25页/共37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：VDS 0， P沟道：VDS |VGS(th) |， |VDS |

13、 | VGS VGS(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 DSGS(th)GS OXn D )(VVV l WC I 第27页/共37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流源，满足IC= IB 。 2 GS(th)GS OX D )( 2 VV l WC I S G D ID V G S S D G I

14、 D IG 0 ID(VGS ) + - - VBE(on) E CB I C IB IB + - - 第28页/共37页 q MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照) gmv gs rds gd s ic vgs - 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。 CQ A CQce )/(1 I V Ir 与三极管输出电阻表达式 相似。 )/(1 DQds Ir rbe rce bc e ibic + - + vbe vce gmvbe 第29页/共37页 MOS管跨导 Q GS D m v i g 2

15、GS(th)GS OX D )( 2 VV l WC I 利用 DQ OX Q GS D m 2 2I l WC v i g 得 三极管跨导 CQ e Q EB C 5 .38 I rv i gm 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。 第30页/共37页 q 计及衬底效应的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。 gmvgs rds gd s id vgs - - vds + - - gmuvus gmu称背栅跨导，工程上mQ us D mu g v i g 为常数，

16、一般 = 0.1 0.2 第31页/共37页 q MOS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。 gmvgs rds gd s id vgs - - vds + - - Cds Cgd Cgs 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 第32页/共37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 用小信号等效电路法分析电路动态指标。 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 第33页/共37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：VGS VGS(th) 截止条件 非饱和