电子线路线性部分()

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 退出概 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： 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管 退出3.1 MOS场效应管P沟道（PMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS） MOSFET增强型（EMOS） 耗尽型（DMOS） N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流

2、的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。 退出N+N+P+P+PUSGD3.1.1 增强型MOS场效应管 N沟道EMOSFET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 退出 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(保证源衬PN结反偏)。 VGS 0 (形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS 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。 退出 N沟道EMOSFET沟道形成原理 假设VDS =0，讨论VGS作用PP+N+N+

3、SGDUVDS =0- + VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS 开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层 npVGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。反型层 退出 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W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。PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + 退出 当VDS增加到使VGD =VG

4、S(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：PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + APP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + AVDS ID 基本维持不变。 退出 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：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。 退出 MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故

5、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： 退出 由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。 共源组态特性曲线：ID= f ( VGS )VDS = 常数转移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常数输出特性： 伏安特性+TVDSIG0VGSID+- 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。 NEMOS管输出特性曲线 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

6、，表现为一种电阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V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（又称有源区）对应三极管的放大区。 退出数学模型：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：其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。通常 =( 0.005 0.03 )V-

7、1 退出 截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。 ID/mAVDS /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 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。 退出 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：TD

8、2D1D1 D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感 生电荷起旁路作用。 退出 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） 。 退出 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

9、 | - +VUS耗尽层中负离子数因VGS不变（G极正电荷量不变）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 退出 P沟道EMOS管+ - VGSVDS+ - SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道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。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。 退出3.1.3 四种MOS场效应管比较 电

10、路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS 转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th) 退出 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 | | VGS VGS(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 退出 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 ，I

11、G0。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 。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS )+-VBE(on)ECBICIBIB+- 退出3.1.4 小信号电路模型 MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照) gmvgsrdsgdsicvgs-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。与三极管输出电阻表达式 相似。rbercebceibic+-+vbevcegmvbe 退出 MOS管跨导利用得三极管跨

12、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。 退出 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称背栅跨导，工程上 为常数，一般 = 0.1 0.2 退出 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 退出 场效应管电路分析

13、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。3.1.5 MOS管电路分析方法 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。 估算法 退出 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

14、(th)| 若|VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。 退出 小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。 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。 退出3.2 结型场效应管 JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD 退出 N沟道JFET管外部工作条件 VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)VGS VGS(off) V DS 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。 退出 截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS 0，ID流入管子漏极。 P沟道FET：VDS vGS vGS(th) 因此当 vGS vGS(th) 时N沟道EMOS管工作在饱和区。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：（小）交流电阻：（大）Tvi+-+-vRi 退出 N沟道DMOS管GS相连构成有源电阻v = vDS ，vGS =0 ，i