模拟电子电路 第三章场效应管及其基本电路

1、2022年4月3日星期日模拟电子线路1第三章第三章 场效应管及其基本电路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。）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。）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）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）掌握放大电路静态工作点和动态参数（ ）的分析方法。）的分析方法。omoiURRAu、2022年4月3日星期日模拟电子线路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(

2、Field Effect Transistor)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。2022年4月3日星期日模拟电子线路3JFET：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输入电压输入电压输出电流输出电流2022年4月3日星期日模拟电子线路4N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型

3、）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：2022年4月3日星期日模拟电子线路531 结型场效应管结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(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结型场效应三极管的结构.avi2022年4月3日星期日模拟电子线路6P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结

4、构示意图及其表示符号ID实际流向2022年4月3日星期日模拟电子线路7DGSDGS(a) N型沟道PPN型沟道源极栅极漏极DGS(b) P型沟道NNP型沟道源极栅极漏极DGS(c) N沟道(d) P沟道图3-1 结型场效应管的结构示意图和符号 2022年4月3日星期日模拟电子线路83.1.2 工作原理工作原理 N型沟道DGS(a) UGS0PPID0N型沟道DGS(b) UGS0PPID0UGSDGS(c) UGS UPPPID0UGS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 2022年4月3日星期日模拟电子线路9NDGSPP(a) UGS =0，沟道最

5、宽图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图2022年4月3日星期日模拟电子线路10(b) UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图横向电场作用：UGS PN结耗尽层宽度 沟道宽度2022年4月3日星期日模拟电子线路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DSPPUGSUGSoff夹断电压2022年4月3日星期日模拟电子线路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 uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)2022年4月3日星期日模拟电子线路1

6、32. ID与与UDS、UGS之间的关系之间的关系 NDGS(a) UGS0, UDG| UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b) UGS0 , UDG| UP| 预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c) UGSUP , UDG| UP| 夹断图 3-3 UDS对导电沟道和ID的影响 2022年4月3日星期日模拟电子线路14312 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线一、转移特性曲线2)1 (GSoffGSDSSDUuIiCuGSDDSufi)(式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSof

7、f时iD为零。恒流区中：uGS0， iD02022年4月3日星期日模拟电子线路152. 转移特性曲线转移特性曲线 常数DSUGSDUfI)(iD / mA654321uGS / VUDS 4VUP 4 V01234IDSS图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线 21PGSDSSDUUII2022年4月3日星期日模拟电子线路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。 2022年4月3日星期日模拟电子线路17二、输出特性曲线二、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。栅、漏间电压uGDUGSoff（或uDSUG

8、Soff预夹断前所对应的区域。uGS0， uDS02022年4月3日星期日模拟电子线路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 1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VUDSUGSUGSoff515流区击穿区UGS0V(b)UGSoff0.5V2022年4月3日星期日模拟电子线路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

9、忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。2022年4月3日星期日模拟电子线路202.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。栅、漏间电压uGDuGS-UGSoff）栅、源间电压uGSUGSoff2022年4月3日星期日模拟电子线路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。2022年4月3日星期日模拟电子线路224.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UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区

10、。3. 截止区2022年4月3日星期日模拟电子线路23 图34 uDS对导电沟道的影响DGS(a)UDSID0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断IDIDSSPPPP截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区)()()()()(offGSGSoffGSGSoffGSDSGSoffGSDSGSoffGSDSGSuuuuuuuuuuuuuGD(2V)S(0V)-4-5-6-7.5VuoffGS7)(设2022年4月3日星期日模拟电子线路24综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也

11、称为单极型三极管。 JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制 预夹断前预夹断前i iD D与与v vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i iD D趋趋于饱和。于饱和。 JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。2022年4月3日星期日模拟电子线路2532 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。绝缘体一般为二氧化硅

12、（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。一、简介一、简介2022年4月3日星期日模拟电子线路26(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图 2022年4月3日星期日模拟电子线路27MOSFETN沟道P沟道增强型 N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFE

13、T二、分类二、分类2022年4月3日星期日模拟电子线路28321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构322 N沟道增强型沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理2022年4月3日星期日模拟电子线路29图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号B(b)NUDS导电沟道P型衬底UGSNDGS(c)B2022年4月3日星期日模拟电子线路30二、转移特性二、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合平方律关系。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui2)(GSthGSUukiD02022年4月3

14、日星期日模拟电子线路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。 2022年4月3日星期日模拟电子线路32iD0)(VuGSGSthU(a).转移特征曲线转移特征曲线:2022年4月3日星期日模拟电子线路33三、输出特性三、输出特性(1)截止区uDS0uGSUGSthuGDUGSth（或uDSUGSthuGDuGS-UGSth）2022年4月3日星期日模拟电子线路36GD(1V)S(0V)432.51.5设VuGSth

15、2截止区（恒流区）饱和区且临界饱和区可变电阻区GSthGSGSthGSGSthDSGSGSthDSGSGSthDSGSuuuuuuuuuuuuu2022年4月3日星期日模拟电子线路37323 N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)20)1 (GSoffGSDDUuIi式中： ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。 )(220GSoffoxnDULWCuI2022年4月3日星期日模拟电子线路38iDuGSUGSoff0(a)ID0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2022年4月3日星期日模拟电子线路39图

16、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1234iD/mA01020uDS/V0V515(b)UGS 3V6V3VGSoffGSDSUuu2022年4月3日星期日模拟电子线路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)DGSB2022年4月3日星期日模拟电子线路41324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型 FET图311各种场效应管的符号对比2022年4月3日星期日模拟电子线路42DSGBDSGBDSGBDSGBN沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型

17、MOSFET图311各种场效应管的符号对比2022年4月3日星期日模拟电子线路43iDuGSUGSoff0IDSSID0UGSth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：0DiP沟道：0Di2022年4月3日星期日模拟电子线路44图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型P 沟耗尽型MOS P沟345601201231233456789结型N沟耗尽型 增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型(b)输出特性N沟道

18、：0DiP沟道：0Di)(GSthGSoffGSDSuuuu2022年4月3日星期日模拟电子线路4533 场效应管的参数和小信号模型场效应管的参数和小信号模型 331 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、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。2022年4月3日星期日模拟电子线路463.输入电阻RGS对结型场效应管，RG

19、S在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS 。 二、极限参数二、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=IDUDS2022年4月3日星期日模拟电子线路47DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比DSGBDSGBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET2022年4月3日星期日模拟电子线路48三、交流参数三、交流参数1跨导gm)/(VmdudigCuGSDmDS对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为2)1 (GSoffGSDSS

20、DUuIi那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。DSSDQGSoffDSSGSoffGSGSoffDSSQGSDmIIUIUuUIdudig2)1 (直流工作点电流IDQ ，gm 。2022年4月3日星期日模拟电子线路4922)()(2GSthgsGSthgsoxnDUukUuLWCui而对增强型MOSFET，其电流方程为那么，对应工作点Q的gm为DQDQoxnmkIILWCug22直流工作点电流IDQ ，gm 。2022年4月3日星期日模拟电子线路502.输出电阻rds GSQuDDSdsdidur 恒流区的rds可以用下式计算：其中，UA为厄尔利电压。DQAdsIUr D

21、SGB2022年4月3日星期日模拟电子线路51DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比DSGBDSGBDSGBDSGBN沟 道P沟 道增 强 型N沟 道P沟 道耗 尽 型MOSFET2022年4月3日星期日模拟电子线路52 图38输出特性uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)厄尔利电压2022年4月3日星期日模拟电子线路53DSdsGSmDSDSDGSGSDDDSGSDdurdugduuiduuidiuufi1),( 若输入为正弦量，上式可改写为dsdsgsmdUrUgI1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场效应管的低频小

22、信号模型gsmdUgI 2022年4月3日星期日模拟电子线路54rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化模型2022年4月3日星期日模拟电子线路5534 场效应管放大器场效应管放大器341 场效应管偏置电路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、EMOSFET2022年4月3日星期日模拟电子线路56 图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电

23、阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)2022年4月3日星期日模拟电子线路57一、图解法一、图解法SDGSRiuSDDDGGGGSRiURRRu212 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RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)2022年4月3日星期日模拟电子线路58RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)SDGSRiu 栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式图解法图解法iDuGS0(a)Q1Q2RS1-2022年4月3日星期日

24、模拟电子线路592.对于混合偏置方式图解法图解法iDuGS0(b)Q1Q2Q2Q3Q3RS1-RG1+RG2RG2UDDRDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2RG1(分压式偏置)SDDDGGGGSRiURRRu212 栅源回路直流负载线方程2022年4月3日星期日模拟电子线路60解析法解析法SDGSGSoffGSDSSDRiuUUIi2)1 (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：2022年4月3日星期日模拟电子线路61UiC2C1RDRG1RSUDD20VRG2150k50k2k10kRL1M(a)Uo.RG31M.C3图316共源放大器电路及其低

25、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场效应管放大器分析一、共源放大器一、共源放大器2022年4月3日星期日模拟电子线路62rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.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2022年4月3日星期日模拟电子线路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。igsUU)(LDmiouRRgUUArdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.)(LDdsgsmoRRrUgU20

26、22年4月3日星期日模拟电子线路64rdsDSUo.RDRLUi.GRG3RG2RG1(b)gmUgs.kRrRRDdsDo10输入电阻： 输出电阻：MRRRRGGGi0375. 12132022年4月3日星期日模拟电子线路65例例 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。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V2022年4月3日星期日模拟电子线路66uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1M

27、gm2mA/V 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)1sgsmgsiRUgUU2022年4月3日星期日模拟电子线路67RS1rdsDSUo.RDRL+-+-Ui.GRG3RG2RG1gmUgs.)(1SdimgsmdRIUgUgI输出电压)(LDdoRRIUiSmmdURggI11 故 3 . 8)(11LmLDSmmiouRgRRRggUUA2022年4月3日星期日模拟电子线路681. 放大倍数Au iLmmdLdimLSdimgsmdiLSdiouURggIRIUgRRIUgUgIURRIUUA1 )()(式中： 故 所以3333106 . 1

28、1021106 . 11021LmLmuRgRgA2022年4月3日星期日模拟电子线路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gmUgs.DSUo.RS1RDRLrds(b)(c)Uo.RL1gmRS1gmUi.2022年4月3日星期日模拟电子线路70C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路二、共漏放大器二、共漏放大器2022年4月3日星期日模拟电子线路71图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路(b)Uo.RLRSSDId.g

29、mUgs.gmUiId(RSRL). 2022年4月3日星期日模拟电子线路721. 放大倍数Au )(LdimLSdimgsmdRIUgRRIUgUgI式中： 故 所以3333106 . 11021106 . 11021LmLmuRgRgAC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/ViLSdiouURRIUUA)(iLmmdURggI12022年4月3日星期日模拟电子线路73C1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 2. 输出电阻RoC2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kU

30、o.RG31MUi.gm 2mA/V2022年4月3日星期日模拟电子线路74图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路RS(b)IS.Io.gmUgs. gm( Uo).Uo.RoISRC1RG1RSUDD(a)RG2RoIo.Uo.2022年4月3日星期日模拟电子线路75omomgsmSSoRSRoUgUgUgIRUIIIISS)(由图可见 式中： 所以，输出电阻为 4001021102133mSogRRmSomSooooogRUgRUUIUR11112022年4月3日星期日模拟电子线路76 3.输入电阻 MRRRRRGGGGi0375. 1213C2C1RG1RSUDDRG2150k50k

31、2kRL10kUo.RG31MUi.gm 2mA/V2022年4月3日星期日模拟电子线路772022年4月3日星期日模拟电子线路78新型半导体MOS器件研究 2022年4月3日星期日模拟电子线路7919581958年集成电路发明以来年集成电路发明以来, ,为了提高电子集成系统的性能，降为了提高电子集成系统的性能，降低成本低成本(1)(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提高(2)(2)同时硅片的面积不断增大同时硅片的面积不断增大(3)40(3)40多年来，集成电路芯片的发展基本上遵循了摩尔定律，多年来，集成电路芯片的发展基

32、本上遵循了摩尔定律，即每隔三年集成度增加即每隔三年集成度增加4 4倍，晶体管尺寸按倍，晶体管尺寸按0.70.7的因子减小。的因子减小。(4) (4) 集成电路芯片的特征尺寸已经从集成电路芯片的特征尺寸已经从19781978年的年的10m10m发展到现发展到现在的在的0.130.08m0.130.08m；硅片的直径尺寸也逐渐由；硅片的直径尺寸也逐渐由2 2英寸、英寸、3 3英寸、英寸、4 4英寸、英寸、6 6英寸、英寸、8 8英寸发展到英寸发展到1212英寸。更新的预测表明英寸。更新的预测表明, ,到到20162016年年,MOS,MOS的沟道长度将缩小到的沟道长度将缩小到20nm20nm以下以

33、下. .2022年4月3日星期日模拟电子线路80MOS器件缩小到亚器件缩小到亚100nm面临许多挑战面临许多挑战,有很多问有很多问题需要解决题需要解决:(1)SCE(短沟道效应短沟道效应);(2)DIBL(漏场感应势垒降低漏场感应势垒降低)效应效应; (3)氧化层的可靠性氧化层的可靠性;(对器件的静态功耗产生影响对器件的静态功耗产生影响);(4)量子效应量子效应;(使栅电容减小使栅电容减小);(5)杂质数涨落杂质数涨落;(杂质数统计起伏对器件性能影响杂质数统计起伏对器件性能影响).2022年4月3日星期日模拟电子线路81SourceDrainTunnelingThermionic emission图7 电子传输方向能带示意图Fig.7 Potential diagram in the direction of electron transport2022年4月3日星期日模拟电子线路82高K栅介质MOS器件