模拟电子电路基础2-2

1、2.2 结型场效应管结型场效应管2.2 结型场效应管结型场效应管场场效效应应管管也也是是一一种种具具有有 P PN N 结结的的正正向向受受控控作作用用的的有有源源器器件件，它它是是利利用用电电场场效效应应来来控控制制输输出出电电流流的的大大小小，其其输输入入端端 P PN N 结结一一般般工工作作于于反反偏偏状状态态或或绝绝缘缘状状态态。输输入入电电阻阻很很高高。场场效效应应管管根根据据结结构构不不同同分分为为两两大大类类：绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 (IGFET) 输输入入阻阻抗抗14121010引言引言2.2.1 JFET的结构及基本工作原理的结构及基本工作原理(1) N 沟沟道道管管

2、在在一一块块 N 型型硅硅片片两两侧侧分分别别制制作作 一一个个高高浓浓度度的的 P 型型区区，形形成成 P+N 结结， 两两个个 P 型型区区的的引引线线连连在在一一起起作作为为一一 个个电电极极，称称为为栅栅极极 G。在在 N 型型区区两两 端端引引出出两两个个电电极极分分别别称称为为源源极极 S 和和 漏漏极极 D，两两个个 PN 结结之之间间的的 N 区区域域 称称为为电电沟沟道道。符符号号中中箭箭头头的的方方向向代代 表表了了栅栅源源电电压压处处于于正正偏偏时时栅栅极极的的电电 流流方方向向。 S 源极源极D 漏极漏极G栅极栅极 P PN(2) P 沟沟 道道管管导导电电沟沟道道为为

3、 P型型半半导导体体，称称为为 P 型型沟沟道道管管。1 结结构构 N 沟沟道道管管：电电子子导导电电 P 沟沟道道管管：空空穴穴导导电电GSDP N NG栅极栅极D 漏极漏极S源极源极2 工工作作原原理理 P PGSDNDiGSuDSu)(DS一一定定uDi小小结结：场场效效应应管管是是一一种种压压控控器器件件； 场场效效应应管管只只有有一一种种极极性性的的载载流流子子导导电电单单极极性性晶晶体体管管。DiDiDi2.2.1 JFET的结构及基本工作原理的结构及基本工作原理耗耗尽尽层层（上上宽宽下下窄窄）,靠靠近近漏漏极极出出现现沟沟道道合合拢拢,即即，出出现现预预夹夹断断状状态态；GSDD

4、SuiDNGSu P P(2) uDS对对iD的影响的影响综上分析，可得下述结论综上分析，可得下述结论:GSDDSu P PiDNGSu JFET栅极、沟道之间的栅极、沟道之间的PN结应反向偏置，因此，其结应反向偏置，因此，其iG0，输，输入电阻很高。入电阻很高。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受uGS控制。控制。 预夹断前，预夹断前，iD与与uDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱趋于饱和，几乎与和，几乎与uDS电压的变化无关。电压的变化无关。 场效应管只有一种极性的载流子导电，通常称场效应管只有一种极性的载流子导电，通常称为单极性晶体管。

5、为单极性晶体管。P沟道沟道JFET工作时，其电源极性和电流方向都工作时，其电源极性和电流方向都与与N沟道沟道JFET的相反，但工作原理相同。的相反，但工作原理相同。 输出特性的斜率随栅源电压而变化，栅源电压愈负，输出特性输出特性的斜率随栅源电压而变化，栅源电压愈负，输出特性曲线相对纵坐标轴愈倾斜曲线相对纵坐标轴愈倾斜,漏源间的等效电阻愈大。漏源间的等效电阻愈大。 Cuufi GS)(DSDI：可可变变电电阻阻区区： 输输出出特特性性曲曲线线平平坦坦但但略略向向上上倾倾斜斜，是是模模拟拟电电路路工工作作区区，向向上上倾倾斜斜的的原原因因是是由由于于沟沟道道的的调调制制效效应应。1 输出特性曲线输

6、出特性曲线l l12.2.2 JFET特性曲线及参数特性曲线及参数类型类型可变电阻区可变电阻区预夹断状态预夹断状态放大区（饱和区）放大区（饱和区） 截止区截止区N沟道沟道JFET0uGS UGS（off）uDS UGS（off）0uGS UGS（off）uDS=uGS- -UGS（off）uGD= UGS（off）0uGS UGS（off）uDSuGS- -UGS（off）uGD UGS（off）uGS UGS（off）0uGD BUDS后，后，由于加到沟道中耗尽层的电压由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间太高，电场很强，致使栅漏间的的PN结发生雪崩击穿，结发生雪崩击穿，iD迅

7、速迅速上升上升 IV区区:全夹断区：当全夹断区：当uGS UGS(th)0uDS UGS（th）uGS UGS（th）0uDS =uGS- -UGS(th)uGD= UGS（th）uGSUGS（th）0uDSuGS- -UGS(th)uGDUGS（th）0uGS0GDSuGSuN+SDPN+2.3.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 下下图图为为D型型NMOSFET管管特特性性曲曲线线DSSI)V(GSuGS(off)U)mA(Di)mA(Di)V(DSuGS(off)GSUu 0GS u0GS u0GS uUGS(off)2.3.3 MOSFET小信号模型小信号模型1.MOSFET的三种

8、基本组态的三种基本组态 MOSFET在接入工程电路的具体应用中与在接入工程电路的具体应用中与BJT类似，也类似，也有三种组态：有三种组态：以栅极作输入端，漏极作输出端的共源以栅极作输入端，漏极作输出端的共源(CS)组态；组态；以栅极作输入端源极作输出端的共漏以栅极作输入端源极作输出端的共漏(CD)组态；组态；以源极作输入端，漏极作输出端的共栅以源极作输入端，漏极作输出端的共栅(CG)组态。组态。 由于共源组态在实际电路中使用最广泛，下面主要讨论共由于共源组态在实际电路中使用最广泛，下面主要讨论共源组态增强型源组态增强型NMOSFET的小信号模型。的小信号模型。 2.3.3 MOSFET小信号模

9、型小信号模型 2. 背栅控制特性背栅控制特性 在集成电路中，为使各在集成电路中，为使各MOSFET管之间相互隔离，管之间相互隔离， NMOSFET的衬底要的衬底要接电路的最低电位，接电路的最低电位，PMOSFET的衬底要接电路的最高电位，因此衬底和源的衬底要接电路的最高电位，因此衬底和源极之间的电压极之间的电压uBS往往不等于零。往往不等于零。uBS对对MOSFET特性的影响叫体效应或衬底特性的影响叫体效应或衬底调制效应，这在调制效应，这在MOS集成电路中必须考虑的问题。集成电路中必须考虑的问题。 衬底调制效应是指衬底衬底调制效应是指衬底B极与源极间的电压极与源极间的电压uBS对对iD的控制作

10、用。在增强型的控制作用。在增强型NMOSFET中，通常衬底中，通常衬底B极比源极极比源极S的电位负（低）。的电位负（低）。 即即uBS0）时，时，P型衬底与型衬底与N+区源极之间的区源极之间的PN+结由于反偏变厚，要想维持沟道中的载流结由于反偏变厚，要想维持沟道中的载流子数量与子数量与uBS0时的相同，就需要增加时的相同，就需要增加uGSUGS（th）才可能出现才可能出现N沟道，即沟道，即开开启电压值随衬底与源极间的负偏压的数值增加而增加，这种现象称为背栅控启电压值随衬底与源极间的负偏压的数值增加而增加，这种现象称为背栅控制特性制特性。可以证明，在考虑体效应后，。可以证明，在考虑体效应后，NM

11、OSFET的开启电压的开启电压UGS（th）为为)22(FBSFGS(tho)GS(th)GS(tho)GS(th) uUUUU式中，式中，UGS（tho）为为uBS0时的开启电压，时的开启电压，2F为形成强反型层时的表面电势，为形成强反型层时的表面电势，典型值典型值0.7 V，为体效应系数（或体阈值参数），为体效应系数（或体阈值参数），的大小由衬底和栅氧化层的大小由衬底和栅氧化层厚度决定，典型值在厚度决定，典型值在0.30.4V1/2之间。之间。 1.背栅控制特性背栅控制特性 uBS对对iD的控制作用以背栅跨导的控制作用以背栅跨导gb来表征，即来表征，即 当当uDS时时 QuigBSDmb

12、GSDBSGS(th)GS(th)DGSDBSDmmbuiuUUiuiuigg GSDmDDSnGS(th)D)1(212uigIuUi l l )1()(21DS2GS(th)GSnDuUuil l DnDoxnm22IILWCg 还可以求出：还可以求出： GS(off)GSDGS(off)GSnm2)(UuIUug 2GS(th)GSnD21Uui 背栅控制能力也可以用背栅跨导背栅控制能力也可以用背栅跨导gmb与转移跨导与转移跨导gm之比来描述。跨导之比来描述。跨导比比 表示为表示为讨论：讨论： （1 1）在）在n为常数（为常数（W/L为常数）时，为常数）时，gm与过驱动电压（与过驱动电压

13、（uGS- -UGS（off）成正比，或与漏极电流成正比，或与漏极电流ID的平方根成正比。的平方根成正比。 （2 2）若漏极电流）若漏极电流ID恒定时，恒定时，gm与过驱动电压（与过驱动电压（uGS- -UGS（off）成反比，）成反比，而与而与n的平方根成正比。所以要增大的平方根成正比。所以要增大gm，可以通过增大，可以通过增大n（W/L）值，）值，也可以通过增大也可以通过增大ID来实现，但以增大来实现，但以增大W/L值最有效。值最有效。 由上式可得：由上式可得： BSFBSGS(th)22uuU )22(FBSFGS(tho)GS(th) uUU另外，在恒流区另外，在恒流区MOSFETMO

14、SFET漏源极间的动态电导漏源极间的动态电导g gdsds为为 DSD2GS(off)GSnQDSDds1)(21UIUUuigl ll ll l 3. 亚阈区导电特性亚阈区导电特性 亚阈区导电特性是亚阈区导电特性是指指uGS UGS（th）时时MOSFET的导电特性的导电特性。在亚在亚阈区，阈区，iD与与uGS呈指数规律变化呈指数规律变化，iD可表示为可表示为 式中，式中，IDO为特征电流，表示当宽长比为特征电流，表示当宽长比WL=1，且各极相对衬底极的电位，且各极相对衬底极的电位uG、uS、uD均为零时的漏极电流，均为零时的漏极电流，n为与衬底调制效应有关的指数因子，典为与衬底调制效应有关

15、的指数因子，典型的型的nl3，UT =kTq (常温下常温下UT 2526mV)。亚阈区（用下标亚阈区（用下标sub表示）的栅极跨导表示）的栅极跨导gmsubG为为 在亚阈区，在亚阈区，MOSFET的漏极电流与栅源电压呈指数关系，传输特性与的漏极电流与栅源电压呈指数关系，传输特性与BJT类似，栅极跨导类似，栅极跨导gmsubG=ID/nUT，与漏极电流，与漏极电流ID成正比，与成正比，与BJT的放大的放大能力相近。能力相近。 TDTSTGDOexpexpexpUuUunUuLWIiDTDGDmsubGnUIuigQ 3.MOSFET的等效电容的等效电容 MOSFET有有5个极间分布电容，可分别

16、等效为：栅极与漏区电容个极间分布电容，可分别等效为：栅极与漏区电容Cgd；栅极与源区电容栅极与源区电容Cgs；衬底与漏区电容；衬底与漏区电容Cbd；衬底与源区电容；衬底与源区电容Cbd；衬底与栅；衬底与栅极电容极电容Cbg。 栅极与栅极与N型导电沟道之间的氧化层电容型导电沟道之间的氧化层电容CGN ，衬底与衬底与N型导电沟道之间型导电沟道之间的的PN结耗尽层势垒电容结耗尽层势垒电容CBN ，栅极与源区和漏区覆盖部分的交叠电容栅极与源区和漏区覆盖部分的交叠电容CGS和和CGD ，衬底与源区和漏区间的衬底与源区和漏区间的PN结耗尽层势垒电容结耗尽层势垒电容CBSJ和和CBDJ 。4.MOSFET交

17、流小信号等效模型交流小信号等效模型 当当MOSFET在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如图所示。型如图所示。 图中，受控电流源图中，受控电流源gmugs和和gmbubs分别表示，由栅源电压分别表示，由栅源电压ugs和背栅电压和背栅电压ubs控制产生的漏极电流控制产生的漏极电流iD的分量。正向转移跨导的分量。正向转移跨导gm、背栅跨导、背栅跨导gmb及漏源极间的及漏源极间的动态电阻动态电阻rds可按前述有关表达式计算。可按前述有关表达式计算。Cgs、Cgd为栅极与源极、栅极与漏极为栅极与源极、栅极与漏极间的电容，间的电容，Cbg

18、、Cbs、Cbd分别为衬底与栅极、源极、漏极间的电容。分别为衬底与栅极、源极、漏极间的电容。 当当ubs=0=02.3.4 场效应晶体管与双极型晶体管的比较场效应晶体管与双极型晶体管的比较 (1) FET的三电极的三电极S、G、D与与BJT的三电极的三电极E、B、C相对应，相对应，它们的导电机理却不同。它们的导电机理却不同。FET内部仅有的沟道电流是多子漂移内部仅有的沟道电流是多子漂移电流，而电流，而BJT的内部电流却比较复杂。的内部电流却比较复杂。BJT的特性易受外界影的特性易受外界影响。在这方面，响。在这方面，FET要比要比BJT优越。优越。 (2) FET是一种电压控制器件，其栅极电流极

19、小，故栅源端输入是一种电压控制器件，其栅极电流极小，故栅源端输入电阻很大。电阻很大。FET特别适合作高输入阻抗放大器的输入级。特别适合作高输入阻抗放大器的输入级。BJT工作时工作时基极需要一定的激励电流，故基极与射极端口的输入电阻只有数千至基极需要一定的激励电流，故基极与射极端口的输入电阻只有数千至数十千欧姆。数十千欧姆。BJT是一种电流控制器件。是一种电流控制器件。 (3) 在放大区，在放大区，FET的漏极电流与的漏极电流与uGS是平方律关系，而是平方律关系，而BJT的发的发射极电流与射极电流与uBE是指数关系。在较大的范围内，是指数关系。在较大的范围内，BJT的三个电极电流近的三个电极电流近似成正比。似成正比。BJT的跨导与集电极电流成