模拟电路线性第章场效应管课件

1、3.2 结型场效应管3.3 场效管应用原理3.1 MOS场效应管第三章 场效应管概 述 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它比BJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：后述。 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不高，在许多场合不能满足要求。 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FET靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。三极管是两种载流子导电。 FET优点：输入电阻大（Ri1071012）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大

2、器的输入级。 场效应管：压控电流源器件（ID=gmVGS）。三极管：流控电流源器件（IC= IB ）。FET利用输入回路的电压（电场效应）来控制输出回路电流的器件，故此命名。概 述3.1 MOS场效应管P沟道（P-EMOS） N沟道（N-EMOS） P沟道（P-DMOS） N沟道（N-DMOS） MOSFET增强型（E） 耗尽型（D） N-MOS管与P-MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，导致加在各极上的电压极性相反。 JFET结型N沟道P沟道N-JFETP-JFET分类：金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）N+N+P+P+PUSGD3.1.1 N沟道增

3、强型MOS场效应管 N-EMOS FET结构示意图源极漏极衬底极 SiO2绝缘层金属栅极P型硅 衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度MOS管外部工作条件:两个PN结反偏。N-EMOS管为： VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)。 U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。 VGS 0 (形成导电沟道)。1、由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管(M-O-S)。2、栅极有SiO2绝缘层，或简称 I-G-FET场效应管。 3.1.1 N沟道增强型（EMOS）管说明 MOS管衬底一般与源极相连使用； 栅极和衬底间形成电容。一. 工作原理 1、沟道形成原理。(1)设V

4、DS =0，当VGS=0时，iD=0。图(a) 3.1 绝缘栅型场效应管（MOS管）栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。 (2)当VGS0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b) 若VGS0（正栅源电压）耗尽层，如图(b)所示。(3)开启电压VGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。 VGS反型层加厚沟道电阻变小。 当VGS耗尽层加宽反型层N型导电沟道，如图(C)所示。反型层VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。2、当VGSVGS(th)且一定时，VDS对沟道导电能力iD的影响。图(d) VDS VGD沟道变窄若VGD=VGS(th)预夹断 VDS（假设VGS VGS(th)

5、 且保持不变）讲P104 VDS夹断区加长 预夹断前：ds间呈电阻特性 预夹断后：VDG VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考虑沟道长度调制效应(CLME)，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管放大区。数学模型：工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：若考虑CLME，则ID的修正方程： 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（3-1-7）（3-1-8）饱和漏极电流VGS=2VGS(th)时的iD 3、截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。 ID/mAV

6、DS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V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 4、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。VDS过大时 MOS管COX很小，当带电物体（烙铁或人）靠近金属栅极时Q大，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：TD2D1D1 与D2：(1)限制VGS间最大电压。（2）对

7、感 生电荷起旁路作用。 NEMOS管转移特性曲线VGS(th) = 3VVDS = 5V 转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启电压VGS（th） 。三、衬底效应 集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（P沟道）。 若| VUS | - +VUS耗尽层中负离子数因VGS不变（G极正电荷量

8、不变）ID VUS = 0ID/mAVGS /VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS- +- +阻挡层宽度 表面层中电子数 四、P沟道EMOS管+ - VGSVDS+ - NN+P+SGDUP+N-EMOS管与P-EMOS管工作原理相似。即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。DMOS-P与N差别仅在电压极性与电流方向相反。转移特性3.1.3 四种MOS场效应管比较：P113 电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDN-EM

9、OSN-DMOSP-DMOSP-EMOS 转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)3.1.3 六种场效应管的符号及特性如图所示。P113N-JFET管P-JFET管N-DMOS管N-EMOS管P-DMOS管P-DMOS管3.1.4 小信号电路模型P112N-EMOS管简化小信号电路模型(与三极管对照) gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-（2）rds为场效应管输出电阻：（1）由于场效应管G、S之间开路，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。与三极管输出电阻表达式 相似。rberce

10、bceibic+-+vbevcegmvbe 将场效应管视为二端口网络 栅、源之间只有电压VGS，而无电流iD=f(vGS, vDS)取全微分得：+-+（3-1-9）令 若信号较小，则gm和rds近似为常数于是，有 场效应管的低频小信号等效模型如图所示（3-1-10）说明 跨导gm由VGS=VGSQ时的转移特性曲线上Q点处切线斜率决定，如图所示Qgmrds为VGS=VGSQ时输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数Q理想时,rds=（开路） 场效应管简化等效模型Q MOS管跨导利用得三极管跨导 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。（3-1-13）（3-1-

11、7）（2-5-4） 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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅（衬底）跨导：工程上， 为常数，一般 = 0.1 0.2（3-1-16） 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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs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 场效应管电路分析方法与三极管的相似，可采用估算法（公式）分析电路直流工作点；

12、采用小信号等效电路法分析电路动态指标。图解法少用。3.1.5 MOS管电路分析方法P116 场效应管估算法分析思路与三极管相同，但两种管工作原理不同，故外部工作条件明显不同。一、估算法1、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2、MOS管非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：若|VDS| |VGSVGS(th)| 若|VDS| 0， P沟道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS

13、(th) |VGS| |VGS(th) | ， 饱和区（放大区）工作条件|VDS | |VGS(th) |， 非饱和区（可变电阻区）数学模型（3-1-5）MOS管 N-EMOS直流简化电路模型(与三极管相对照) （1）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) 。（2）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 。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS )+-VBE(on)ECBICIBIB+-（3-1-7）例1 已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)= 2V, 求ID解：假

14、设T工作在放大模式（?区） VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID带入已知条件解上述方程组得： ID= 1mAVGS= 4V及ID= 2.25mAVGS= -1V（舍去）VDS= VDD-ID （RD + RS）= 6V因此 验证得知： VDS VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。（3-1-7）例2：（3-1-7）3.1.5 分析方法：P116二、小信号等效电路法FET小信号等效电路分析法与三极管相似。 利用微变等效电路分析交流指标。 画交流通路。 将FET用小信号电路模型代替。 计算微变参数gm、rds注：具体分析将在第四章中详细介绍

15、。 3.2 结型场效应管（JFET）N沟道管P沟道管实际结构及符号如下图所示。 P-JFET除偏置电压极性、载流子类型与N-JFET不同外，其工作原理完全相同，因此，只讨论N-JFET。类型MOSFET利用VGS大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流大小。 JFET利用PN结反向电压来控制耗尽层厚度，改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流大小。 3.2 N-JFET结构和工作原理1. 结构 N型导电沟道漏极D(d)沟道电阻 长度、宽度、掺杂P+P+反偏的PN结 反偏电压控制耗尽层结构特点:空间电荷区(耗尽层)栅极G(g)导电沟道源极S(s)N型 N沟道JFET管外部工作条件 VD

16、S 0 (保证栅漏PN结反偏)VGS 0 (保证栅源PN结反偏)3.2.1 JFET管工作原理P+P+NGSD + VGSVDS+ - VGS对沟道宽度的影响：|VGS | 阻挡层宽度若|VGS | 继续沟道全夹断使VGS =VGS (off)夹断电压若VDS=0NGSD + VGSP+P+N型沟道宽度沟道电阻Ron VGS对沟道的控制作用（VDS=0） VGS=0 VGS0 (反偏)耗尽层加宽厚|VGS | 增加沟道变窄沟道电阻增大全夹断（夹断电压） |uGS|uGS称为夹端电压UGS(off) VP沟道电阻为 VDS很小时 VGD VGS由图 VGD = VGS - VDS因此 VDSID

17、线性 若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。此时,Ron ID 变慢。 VDS对沟道的控制（假设VGS 一定）NGSD + VGSP+P+VDS+-此时W近似不变，即Ron不变。沟道变窄讲P119 当VDS增加到使VGD 并=VGS(off)时， A点出现预夹断。 若VDS 继续A点下移出现夹断区。此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(off) +VGS （恒定）若忽略CLME，则近似认为l 不变（即Ron不变）。NGSD + VGSP+P+VDS+-ANGSD + VGSP+P+VDS+-A VDS夹断区加长ds间呈电阻特性 预夹断后：VDGVGS VGS(off) V DS

18、VGS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。（3-2-3）三、截止区特点：沟道全夹断的工作区。条件：VGS VGS(off) IG0，ID=0四、击穿区VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿。ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(off)VGS =0V-2V-1. 5V-1V-0. 5V 造成 ID剧增。VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小击穿电压V(BR)DS： V(BR)DSVGS- V(BR)GD JFET转移特性曲线 同MOS管一

19、样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。 ID =0 时对应的VGS值 夹断电压VGS（off） 。VGS(off)ID/mAVGS /V0IDSS (N-JFET)ID/mAVGS /V0IDSSVGS(off) (P-JFET )VGS=0 时对应的ID 值 饱和漏电流IDSS。 1、转移特性2、电流方程( VGS（off)VGSVGS-VGS(off) )注意P沟道管VGS0 夹断电压VP (或VGS(off)： 饱和漏极电流IDSS： 低频跨导gm：或3. 主要参数漏极电流约为零时的VGS值 。VGS=0时对应的漏极电流。 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转

20、移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。 输出电阻rd：3.主要参数 直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。 最大漏极功耗PDM 最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压V(BR)GS JFET电路模型同MOS管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。 JFET电路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-SIDGD（共源极）（直流电路模型）（小信号模型）利用得1. JFET小信号模型（1）低频模型JFET放大电路的小信号模型分析法JFET放大电路的小信号模型分析法（2）高频模型一、场效

21、应管放大电路的特点1. 场效应管是电压控制元件； 2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高； 3. 噪声小，受外界温度及辐射影响小； 4. 制造工艺简单，有利于大规模集成； 5. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。6. 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。总结：二、表3.1 场效应管与晶体管的比较场效应管晶体管电极g、s、db、e、c控制类型电压输入控制VCCS(gm)电流输入控制CCCS()控制能力较弱（gm较小）(gm15mS)较强（较大）( 20100)参与导电的载流子多子漂移多子扩散少子漂移噪声系数小大 双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大

22、较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成 C与E不可互换使用 D与S可互换使用二、表3.1 场效应管与晶体管的比较三、各类FET管VDS、VGS极性比较 VDS极性与ID流向仅取决于沟道类型 VGS极性取决于工作方式及沟道类型 由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下： N沟道FET：VDS 0，ID流入管子漏极。 P沟道FET：VDS vGS vGS(th) 因此当 vGS vGS(th) 时N-EMOS管工作

23、在饱和区。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：（小）交流电阻：（大）Tvi+-+-vRi N-DMOS管GS相连构成有源电阻v = vDS ，vGS =0 ，i = iD由图因此，当 vDS 0 vGS(th)时，管子工作在饱和区。伏安特性即vGS = 0 时的输出特性。由得知当vGS =0 时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi 有源电阻构成分压器若两管n 、 COX 、VGS(th)相同，则联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图I1 = I2V1 + V2 = VDDV1 + V2 = VDD调整沟道宽长比（W/l），可

24、得所需的分压值。复习 1. N-JFET管 （1）特性曲线 （2）电流方程（工作于恒流区）(3-2-3) （1）特性曲线 （2）电流方程 2. N-EMOS管（无原始导电沟道）（工作于恒流区）(3-1-7) 3. N-DMOS管（有原始导电沟道） （1）特性曲线 （2）电流方程（工作于恒流区）注意P沟道管VGG和VDD的极性应与N沟道管的相反。增加场效应管放大电路的三种接法:共源接法共漏接法共栅接法（极少用）N-EMOS管放大器静态Q点的设置方法及分析计算（以共源电路为例）一、基本共源电路 1、电路组成 N-EMOS管：放大 栅极电源VGG要求：VGGVGS(th) 漏极电源VDD：要求：VD

25、SVGS-VGS(th) Rd：将电流的变化转化成电压的变化.类似例2:（3-1-7） 2、静态Q点的确定 图解法令则VGSQ=VGG输出特性曲线VDS=VDD-iDRd交点QIDQVDSQ 存在问题：双电源供电。 估算法VGSQ=VGG，VDSQ=VDD-IDQRd二、分压式偏置电路 1、静态Q点的确定静态时于是，有说明Rg3的作用是为使Ri增大类似例1：(3-1-7)+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+图 2.7.5分压 式偏置电路2、图解法由式可做出一条直线，另外，iD 与 uGS 之间满足转移特性曲线的规律，二者间交点为静态工作点，确定 UGSQ， IDQ 。根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uGS = UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。UDSQuDS = VDD iD(RD + RS)3 uDS/ViD/mA012152 V105uGS4.