北京航空航天大学电子电路i第一章 [1.4 fet zq]v

1、2021-11-20北京航空航天大学202教研室1becibieicpndgsbjt场效应管场效应管fetjfetgsdmosfet2021-11-20北京航空航天大学202教研室2内容组织二二极极管管bjtfetnpn pnpjfetmosnp耗尽增强npnp1.组成组成结构结构2.原理原理条件条件,状态状态3.曲线曲线-大信号大信号曲线曲线表达式表达式4.小信小信号模型号模型模型模型等效参数等效参数5.参数参数2021-11-20北京航空航天大学202教研室31.5 场效应晶体管（场效应晶体管（fet）分类：分类： 结型场效应管结型场效应管jfet 绝缘栅型绝缘栅型fet-金属氧化物半导体

2、构成的绝缘栅场效应管金属氧化物半导体构成的绝缘栅场效应管mosfet。1.5.1 fet及其分类及其分类与与bjt区别：区别： fet：多子导电，单极型晶体管：多子导电，单极型晶体管 bjt：多子少子均导电，双极型晶体管。：多子少子均导电，双极型晶体管。2021-11-20北京航空航天大学202教研室4n基底基底 ：n型半导体型半导体pp两边是两边是p区区g(栅极栅极)s(源极源极)d(漏极漏极)jfet结构：结构：导电沟道导电沟道1.5.2 jfet的结构、工作原理和特性的结构、工作原理和特性2021-11-20北京航空航天大学202教研室5nppg(栅极栅极)s源极源极d漏极漏极n沟道结型

3、场效应管沟道结型场效应管jfet符号：符号：dgs根据图标判根据图标判断断n或或p沟道沟道的方法：的方法：找出沟道；找出沟道；找到方向找到方向2021-11-20北京航空航天大学202教研室6pnng(栅极栅极)s源极源极d漏极漏极p沟道结型场效应管沟道结型场效应管jfet符号：符号：dgs2021-11-20北京航空航天大学202教研室7ngsdvdsvgsnnidvds=0v时时pp但当但当vgs较小时，耗尽区宽较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。度有限，存在导电沟道。ds间相当于线性电阻。间相当于线性电阻。jfet工作原理（以工作原理（以n沟道为例）：沟道为例）：pn结反偏，结反偏，

4、|vgs |越大耗越大耗尽区越宽，沟道越窄，电尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。阻越大。2021-11-20北京航空航天大学202教研室8vds=0时时ngsdvdsvgsppid|vgs |达到一定值时（达到一定值时（夹断夹断电压电压vgs(off)）,耗尽区碰到耗尽区碰到一起，一起，ds间被夹断，这时，间被夹断，这时，即使即使vds 0v，漏极电流，漏极电流id=0a。jfet工作原理（以工作原理（以n沟道为例）：沟道为例）：2021-11-20北京航空航天大学202教研室9ngsdvdsvgspp越靠近漏端，越靠近漏端，pn结反结反压越大。压越大。idvds0且且|vgs | vgs(off

5、) 、vgdvgs(off)时耗尽区的形状。时耗尽区的形状。jfet工作原理（以工作原理（以n沟道为例）：沟道为例）：沟道中仍是电阻特性，沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。但是是非线性电阻。vgd = vgs+vsd2021-11-20北京航空航天大学202教研室10jfet工作原理（以工作原理（以n沟道为例）：沟道为例）：gsdvdsvgs|vgs | vgs(off) vgd=vgs(off)时时ppidvds增大则增大则被夹断区向被夹断区向下延伸。下延伸。漏端的沟道被漏端的沟道被夹断，称为夹断，称为预预夹断。夹断。vgd = vgs+vsd此时，电流此时，电流id由未被夹断由未被夹断

6、区域中的载流子形成，区域中的载流子形成，vds变化时，未夹断区的变化时，未夹断区的长度有少量变化，但两端长度有少量变化，但两端的的电压不变电压不变，电场强度变，电场强度变化不大，因此化不大，因此id基本不随基本不随vds的增加而增加，呈的增加而增加，呈恒流恒流特性。特性。2021-11-20北京航空航天大学202教研室11n沟道沟道jfet在在vgs=0时的输出特性曲线：时的输出特性曲线：电阻电阻区区沟道预夹沟道预夹断断恒流恒流区区击穿击穿区区2021-11-20北京航空航天大学202教研室12n沟道jfet，vds对沟道影响 vds=0，vgs增加时，沟道变化； vgs=0，vds增加时，沟

7、道变化；增加时，沟道变化；2021-11-20北京航空航天大学202教研室13 n沟道沟道jfet伏安特性曲线伏安特性曲线(a)转移特性曲线转移特性曲线 (b)输出特性曲线输出特性曲线2021-11-20北京航空航天大学202教研室14转移特性描述的是：转移特性描述的是：vds一定时，一定时，vgs对对id的控制特性。的控制特性。转移特性方程（转移特性方程（不考虑沟道长度调制效应不考虑沟道长度调制效应）：）：),()1 ()(2)(即恒流区当offgsgsdsoffgsgsdssdvvvvvii式中：式中：idss 表示表示饱和漏极电流饱和漏极电流。是。是vgs=0，vds=|vgs(off)

8、| 时的漏极电流。时的漏极电流。 vgs(off) 表示表示夹断电压夹断电压。是沟道夹断所需的。是沟道夹断所需的vgs值。值。结论：结论：id和和vgs成成平方律平方律关系，与关系，与bjt的输出特性不同。的输出特性不同。 转移特性曲线转移特性曲线2021-11-20北京航空航天大学202教研室15 输出特性曲线输出特性曲线四个区：四个区：i区可变电阻区；区可变电阻区； ii区放大区（恒流区）；区放大区（恒流区）； iii区截止区；区截止区； iv区击穿区；区击穿区；1. 可变电阻区可变电阻区ds极间，预夹断前极间，预夹断前的沟道体电阻，该体电阻的沟道体电阻，该体电阻值由值由vgs控制。控制。

9、2021-11-20北京航空航天大学202教研室162. 放大区（恒流区）和放大区（恒流区）和jfet的大信号特征方程的大信号特征方程输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。 id u ds0vgs=0-1v-3v-4v放大区放大区id随随vds基本不变，但基本不变，但受沟道长度调制效应影受沟道长度调制效应影响，略呈斜升状。响，略呈斜升状。2021-11-20北京航空航天大学202教研室17考虑沟道长度调制效应以后的考虑沟道长度调制效应以后的jfet大信号特性方程：大信号特性方程：n沟道沟道jfet：)1 ()1 (2)(dsoffgsgsdssdvvv

10、iip沟道沟道jfet：)1 ()1 (2)(dsoffgsgsdssdvvvii上面两式适用于上面两式适用于jfet（属于耗尽型）工作在恒流区。（属于耗尽型）工作在恒流区。2021-11-20北京航空航天大学202教研室18关于关于的解释：的解释：jfet的各输出特性曲线的各输出特性曲线（与（与bjt类似）也可向外类似）也可向外延伸，共延伸，共vds轴交于一点轴交于一点该点电压记做该点电压记做1/ 。对对n沟道沟道jfet， 1/ 在在idvds横坐标横坐标负轴负轴上。上。对对p沟道沟道jfet， 1/ 在在idvds横坐标横坐标正轴正轴上。上。 的典型值为的典型值为: 102 /v2021

11、-11-20北京航空航天大学202教研室19 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍以上，但在某些场合仍嫌不够高。嫌不够高。3. 栅源极间的栅源极间的pn结加正向电压时，将出现较大的栅极结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。电流。绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（mosfet）可以很好地解决这些问题。）可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，pn结的反向电流增大，栅源极间的电阻结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。会显著下降。2021-11-20北京航空航天大学202教研室20 mosfet，是由，是由

12、金属（金属（m），氧化物（氧化物（o），半导体（半导体（s）构成场效应管（构成场效应管（fet），故命名为：），故命名为：mosfet。 mosfet按照导电沟道的载流子类型可分为按照导电沟道的载流子类型可分为n（电子型）（电子型）沟道沟道mosfet（简称（简称nmos管）和管）和p（空穴型）沟道（空穴型）沟道mosfet（简称（简称pmos管）；按照导电沟道形成机理，管）；按照导电沟道形成机理，nmos管和管和pmos管有各有管有各有增强型（简称增强型（简称e型）型）和和耗尽型（简称耗尽型（简称d型）型）两种。两种。 因此，就有四种类型的因此，就有四种类型的mosfet，分别叫做：，分别叫

13、做： e型型nmos管管 d型型nmos管管 e型型pmos管管 d型型pmos管管1.4 金属金属-氧化物氧化物-场效应晶体管场效应晶体管mosfet2021-11-20北京航空航天大学202教研室21pnngsdp型基底型基底两个两个n区区sio2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝gsde型型nmos管结构图：管结构图：dgs根据图标判根据图标判断断n或或p型的型的方法：方法：找找出沟道；出沟道；找到方向找到方向1.4.1 mosfet的结构（增强型的结构（增强型n沟道）沟道）2021-11-20北京航空航天大学202教研室22pnngsd预埋了导电预埋了导电沟道沟道 gsdd型型n

14、mos管结构图：管结构图：2021-11-20北京航空航天大学202教研室23nppgsdn型基底型基底两个两个p区区sio2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝e型型pmos管结构图：管结构图：gsd2021-11-20北京航空航天大学202教研室24nppgsd预埋了导电预埋了导电沟道沟道 d型型nmos管结构图：管结构图：gsd2021-11-20北京航空航天大学202教研室25内容组织二二极极管管bjtfetnpn pnpjfetmosnp耗尽增强npnp1.组成组成结构结构2.原理原理条件条件,状态状态3.曲线曲线-大信号大信号曲线曲线表达式表达式4.小信小信号模型号模型模型模型

15、等效参数等效参数5.参数参数2021-11-20北京航空航天大学202教研室261.4.2 mosfet的工作原理：的工作原理：1.4.2.1 vgs的控制作用的控制作用自由电子受正电自由电子受正电荷吸引向上运动荷吸引向上运动复合掉复合掉p型半导型半导体中的空穴，形体中的空穴，形成空间电荷区成空间电荷区vgs增大超过增大超过vgs(th)后自由电子后自由电子的浓度大于空穴的浓度大于空穴浓度，形成浓度，形成n型型层（反型层）层（反型层）图图1.4.7 0vgsvth图图1.4.8 vth (vgs-vgs(th)，且，且vds为定值的条件下，为定值的条件下，vgs通过通过调节导电沟道电阻值控制调

16、节导电沟道电阻值控制id的值，就是的值，就是转移特性转移特性。 转移特性的考察均是在恒流区！转移特性的考察均是在恒流区！p49页页(表表1)：nmos为例包括为例包括d型和型和e型型2021-11-20北京航空航天大学202教研室28vgs的控制作用的控制作用-栅源对沟道的影响演示栅源对沟道的影响演示2021-11-20北京航空航天大学202教研室29e型型nmos管的转移特性曲线：管的转移特性曲线：pnngsdudsugsvgs越大，导电沟越大，导电沟道越厚，电阻越道越厚，电阻越小，小，id越大越大p50页页(表表1)： e型型nmos转移特性转移特性2021-11-20北京航空航天大学20

17、2教研室301.4.2.2 vds的控制作用的控制作用vds使沟道内产使沟道内产生电位梯度从生电位梯度从而使沟道的厚而使沟道的厚度不均匀。度不均匀。沟通已经产生，条件：沟通已经产生，条件：vgsvgs(th)vds增加到增加到vgsvgs(th)时，近时，近d端端反型层消失，称为反型层消失，称为预夹断。预夹断。继续增大继续增大vds，夹断点向夹断点向s极延极延伸，夹断点和伸，夹断点和s极的电压不变。极的电压不变。图图1.4.9 0vdsvgs-vth2021-11-20北京航空航天大学202教研室31vds的控制作用（漏源对沟道的影响演示）的控制作用（漏源对沟道的影响演示）2021-11-20

18、北京航空航天大学202教研室32e型型nmos管的输出特性曲线：管的输出特性曲线：i区线性区区线性区ii区饱和区区饱和区(恒流区恒流区)iii区截止区区截止区iv区击穿区区击穿区保持保持vgs为不同为不同固定值时，得固定值时，得到到id随随vds变化变化的一族曲线的一族曲线p50页页(表表1)： e型型nmos输出特性输出特性2021-11-20北京航空航天大学202教研室33 耗尽型耗尽型nmos管和增强型管和增强型pmos管工作原理管工作原理n d型型nmosfet工作原理工作原理d型型nmos管管和和e型型nmos管结构基本相管结构基本相同，区别仅在同，区别仅在于导电沟道事于导电沟道事先

19、存在，在先存在，在vgs=0的时候，的时候，id也不等于也不等于0。当当vgs=vgs(off)时，导电沟道时，导电沟道消失，消失，id=0。vgs=0时时id0e型型vgs +4结论：结论：d型型-平移关系平移关系-e型。转移曲线右移、型。转移曲线右移、输出曲线下移。输出曲线下移。n、p沟道均一样！沟道均一样！（见课本表（见课本表1。）。）2021-11-20北京航空航天大学202教研室34ne型型pmosfet工作原理工作原理e型型pmos管和管和nmos管管的的vgs和和vds电压极性相电压极性相反，反，id方向也相反。输出方向也相反。输出特性曲线的形状相似特性曲线的形状相似输出特性输出

20、特性曲线处于曲线处于第三象限第三象限e型型nmosn、p原原点对称！点对称！d型型nmosd、e平平移！移！总结：总结：d型型-平移关系平移关系-e型。型。n、p沟道原点对称。沟道原点对称。(见表见表1)思考题：画出思考题：画出d型型pmos的转移曲线和输出曲线！的转移曲线和输出曲线！2021-11-20北京航空航天大学202教研室351.4.3 mos管的伏安特性曲线和大信号特性方程管的伏安特性曲线和大信号特性方程一、一阶一、一阶v/i特性（以特性（以 e型型nmosfet为例）为例）(2) 线性区线性区条件：条件：vgsvth, 0 vds (vgs-vth)电流方程：电流方程：21)(2

21、dsdsthgsndvvvvi式中：式中：n是管子的增益系数，单位为是管子的增益系数，单位为ma/v2lwcoxnn式中：式中：n是是nmos管沟道中电子的迁移率；管沟道中电子的迁移率；cox是是氧化层单位面积电容量；氧化层单位面积电容量；w/l 是沟道宽度与长度之比是沟道宽度与长度之比（式（式1.4.2） p35(1) 截止区截止区条件：条件：vgsvth0di2021-11-20北京航空航天大学202教研室36vds很小时（例如很小时（例如vds0.1v），可简化为：），可简化为：dsthgsndvvvi)(可见，可见，vds一定时，一定时，id和和vgs成线性关系。成线性关系。这些特性曲

22、线都近这些特性曲线都近似为直线，直线的似为直线，直线的斜率由斜率由vgs控制控制2021-11-20北京航空航天大学202教研室373. 饱和区（恒流区）饱和区（恒流区）条件：条件：vgsvth, vds (vgs- vth)2)(21thgsndvvi可见可见id和和vgs成成平方率平方率关系。关系。（式（式 1.4.9）参见参见 p37 图图 1.4.16 中相应虚线。中相应虚线。4. 击穿区击穿区e型型nmos输出特性输出特性2021-11-20北京航空航天大学202教研室38 e型型pmosfet的一阶的一阶v/i特性特性(2) 线性区线性区条件：条件：|vgs|vth|, 0|vds

23、|vgs|-|vth|)|(|221|2dsdsthgsoxpdvvvvlwci式中：式中：p是是pmos管沟道中空穴的迁移率；管沟道中空穴的迁移率；cox是是氧化层单位面积电容量；氧化层单位面积电容量；w/l 是沟道宽度与长度之比是沟道宽度与长度之比（式（式1.4.11）（式（式1.4.12）(1) 截止区截止区条件：条件：|vgs|vth|0|di(2) 饱和区饱和区条件：条件：|vgs|vth|, |vds|vgs|-|vth|2|)|(|21|thgsoxpdvvlwci2021-11-20北京航空航天大学202教研室39与和与和jfet相同的是，相同的是，idss和和vgs(off)

24、是描述它们特性的重要是描述它们特性的重要参数。参数。jfet和和d型型nmos管都是耗尽型，故用相同的符号管都是耗尽型，故用相同的符号vgs(off)表示表示夹断电压夹断电压。增强型管用。增强型管用vgs(th)表示表示开启电压开启电压。 d型型nmosfet d型型pmosfet2021-11-20北京航空航天大学202教研室40四种四种 mos的关系：曲线关系！的关系：曲线关系！e型型pmos。输出特性。输出特性曲线处于第三象限曲线处于第三象限e型型nmosn、p原原点对称！点对称！d型型nmosd、e平平移！移！思考题：四种思考题：四种mos管的表达式有何关系？管的表达式有何关系？课后整

25、理成表格形式！课后整理成表格形式！2021-11-20北京航空航天大学202教研室41二、二阶效应二、二阶效应 在在vbs0的情况下，的情况下，vbs对导电沟道也有一定的控制能力，对导电沟道也有一定的控制能力，这种现象称为这种现象称为体效应体效应或或衬底调制效应衬底调制效应。vbs通过改变通过改变vgs(th)的值改变的值改变id的值，因而的值，因而vbs对对id有控制作有控制作用，用，b极又称为极又称为背栅背栅。背栅背栅如：当如：当vbs0时，加时，加bs间间反偏电压，使反偏电压，使pn结耗尽区结耗尽区扩展增厚，使得扩展增厚，使得vgs(th)的的值增加。值增加。1. 背栅控制特性背栅控制特

26、性2021-11-20北京航空航天大学202教研室422. 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 饱和区（恒流区）饱和区（恒流区）id随随vds增加而稍有斜升增加而稍有斜升)1 ()(212dsthgsoxndvvvlwci（式（式 1.4.19） p40式中：式中：是沟道调制系数，典型值为是沟道调制系数，典型值为 0.01v-1条件：条件：vgsvth, vds (vgs- vth)2021-11-20北京航空航天大学202教研室431.4.4a fet 的小信号模型的小信号模型 jfet的小信号模型的小信号模型 (补充补充)小信号条件：小信号条件：vgsm0.1vgs(off)dsdsgsmd

27、vrvgi1式中：式中：gm是是jfet在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。 rds是是jfet在放大区的小信号输出电阻。在放大区的小信号输出电阻。dssdmoffgsgsmoffgsgsoffgsdssconstvgsdmiigvvgvvvivigds0)(0)()()1 ()1 (2|2021-11-20北京航空航天大学202教研室44式中：式中：gm0是是vgs=0时的跨导。时的跨导。)(02offgsdssmvig可见，可见，gm是是idss、vgs(off)和静态工作电流和静态工作电流id决定的。决定的。112)(1)1 (|)(doffg

28、sgsdssvdsddsivvivirgs若：若：id=1ma，设，设=0.01v1 则则 rds=100k因因pn结反偏，结反偏，rgs数值非常大，数值非常大，10810122021-11-20北京航空航天大学202教研室45jfet的低频小信号模型：的低频小信号模型：栅源电阻非栅源电阻非常大，可近常大，可近似认为开路似认为开路数值上为数值上为gmvgs的受控的受控电流源电流源输出电阻，输出电阻，沟道长度调沟道长度调制效应引起。制效应引起。2021-11-20北京航空航天大学202教研室461.4.4 mosfet的小信号等效模型的小信号等效模型2021-11-20北京航空航天大学202教研

29、室47)1)(|dsthgsoxnqgsdmvvvlwcvig)(2thgsgsdmvvigdoxnmilwcg2饱和区（恒流区）饱和区（恒流区）增大增大gm的方法：增大工艺参数的方法：增大工艺参数w/l和工作电流和工作电流id一、跨导一、跨导gm忽略沟道长忽略沟道长度调制效应度调制效应2021-11-20北京航空航天大学202教研室48dsoxnqgsdmvlwcvig|线性区线性区一、跨导一、跨导gm2021-11-20北京航空航天大学202教研室49)(exp-1-exp0tdstthgsddvvnvvvlwii）（式（式1.4.25） p42式中：式中：id0称为特征电流。称为特征电流。 n是与衬底调制有关的因子。约为是与衬底调制有关的因子。约为 1.53 。亚阈区的跨导亚阈区的跨导 gmsub：tdmsubnvigbjt的跨导的跨导 gm：tcmvig可见，可见，mos管在亚阈区的放大能力接近于管在亚阈区的放大能力接近于bjt。一、跨导一、跨导gm亚阈值区亚阈值区 实际上，对实际上，对mos管，在管，在vgsvgs(th)时，时，就已有漏极电流就已有漏极电流id。这种现象称为。这种