資料講稿模電05場效應

1、(Field Effect Transistor)5.1金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)5.2MOSFET放大電路5.3 結型場效應管(JFET)基本要求:1 了解JFET和MOS管的工作原理、特性曲線及主要參數(shù)2 了解三極管及場效應管放大電路的特點上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎場效應管BJT是一種電流器件(iBiC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件場效應管（Field Effect Transistor簡稱FET）器件(vGS iD) ，工作時，只有一是一種電壓種載流子參與導電，因此它是單極型器件。FET因其工藝簡單，功耗小，溫度特性

2、好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎 分類N溝道P溝道（耗盡型）JFET結型FET場效應管N溝道P溝道增強型MOSFET (IGFET)絕緣柵型N溝道P溝道耗盡型按導電載流子的帶電極性分：N(電子型）溝道和P（空穴型）溝道；按導電溝道形成機理不同分：增強型（E）和耗盡型（D）。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1 MOS場效應管(Mental Oxide Semiconductor FET)-利用電場效應電流大小的半導體器件MOSFET5.1.1 N 溝道增強型MOSFET1. 結構與符號SGD N+ N+ P 型襯底(摻雜濃度低)

3、耗盡層襯底引線B結構：以一塊摻雜濃度較低、電阻率較高的P型硅半導體薄片在P型硅中形成兩個高摻雜的N+層很薄的二氧化硅絕緣層，并在作為襯底，利用擴散的區(qū)。然后在P型硅表面二氧化硅的表面及N+區(qū)的表面上分別安裝三個鋁電極：柵極g（gate）；源極s（source）；漏極d（drain）。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎G與S、D均無電接觸(絕緣柵極)5.1 MOS場效應管(Mental Oxide Semiconductor FET)D箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)符號中的虛線代表溝道，表明在未加適當柵壓前，漏極與源極之間無導電溝道，為增強型FET 。BGSDP溝道增強型MOS

4、FETBGS上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎增強型FET vGS=0時沒有導電溝道，iD=0;vGS>0形成感生溝道的FET。2. 工作原理（源極S與襯底相連）1)vGS 對導電溝道的影響(vDS=0)VGGv(1) 當vGS =0 ，D、S間沒有導電溝道源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成2個背靠背的PN結，無論vDS極性如有一個PN結電場反偏，電阻大，無導電溝道，iD=0；(2) 當vGS >vT(開啟電壓)時，出現(xiàn)N電溝道電溝道(感生)當柵源之間加上正向電壓，GB 間產生垂直電場，排斥柵極附近P 區(qū)中的空穴，留下不能移動的受主離子（負離子）形成耗盡層，同時吸引P 區(qū)中的少子電子到

5、柵極下的襯底表面；當 vGS足夠大， ³VT 時，襯底中電子被吸引到表面，形成一個N型薄層（反型層），即N電溝道(感生溝道)，將兩個N型區(qū)連通。電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎上頁下頁5.1MOS場效應管VGGVGG源極S與襯底相連2. 工作原理v(1) 當vGS =0 ，D、S間沒有導電溝道(2) 當vGS >vT(開啟電壓)時，出現(xiàn)N電溝道電場vGS越大，溝道越厚，溝道電阻越小。 N電溝道(感生)此時，若加入vDS 則有漏極電流iD 產生。開啟電壓VT 在vDS作用下開始導電時的vGS。 加入vDS后，溝道兩端因電位不同，靠近S端厚，D端薄，溝道呈楔形。上頁下頁電子技術

6、基礎精品課程模擬電子技術基礎2. 工作原理(3) 可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的形成機制在vGS> VT時，若外加vDS較小(vDS£vGS-VT)，iD將隨vDS上升迅速增大。VGGVGGv當vDS增大到一定值，使vGS-vDS =vGD=VT (vDSvGS-VT) 時，靠近D端反型層消失，產生夾斷。當vDS=vGS-VT時，稱為預夾斷(預夾斷臨界條件) 。 v繼續(xù)增大，夾斷點左移。 i/mADSD8 V6 VvDS繼續(xù)增加時，增加的部分主要降落在夾斷區(qū)，而降落在導電溝道上的電壓4 VuGS = 2 V基本不變，因此vDS增加，iD趨于飽和。上頁下頁電子技術基礎精品課u程/V模擬電子

7、技術基礎DS歸納：利用柵源電壓的大小改變半導體表面感生電荷的多少， 以改變溝道電阻的大小，進而可以漏極電流的大小。預夾斷點注意：溝道夾斷時，耗盡區(qū)中仍有電流流過?？勺冸娮鑵^(qū)飽和區(qū)夾斷區(qū)- 反型層消失后的耗盡區(qū)5.1MOS場效應管3. V-I特性曲線及大信號特性方程(1) 輸出特性及大信號特性方程定義:在vGS一定的情況下，漏極電流iDiD /mA8 V6 V與漏源電壓vDS之間的。Va、截止區(qū)(v< V 時)，無導電溝道，i =0.GSTDuGS = 2 VuDS /Vb、可變電阻區(qū)(VDS£vGS-VT時)iD隨vDS快速增大。vGS大，rDS小。K ' n2WL原點

8、附近忽略vDS，K -電導常數(shù)，mA/V 。2Kn =·Kn為常數(shù)n受vGS的可變電阻上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1MOS場效應管3. V-I特性曲線及大信號特性方程(1) 輸出特性及大信號特性方程c、 飽和區(qū)(恒流區(qū)、放大區(qū)) (vGSVT ,且vDSvGS-VT)vDS增加，iD趨于飽和。iD /mA8 V6 VV代入預夾斷臨界條件= vGS - VTvDSÞ iuGS =2 V( vGSÞ i= I-1)2= K (V-Vu/V)2DSDDODnGSTVT預夾斷發(fā)生之前： uDS­ iD­。預夾斷發(fā)生之后：uDS

9、73; iD 不變。電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎上頁下頁5.1 MOS場效應管3. 轉移特性曲線FET是電壓器件，除了用輸出特性及一些參數(shù)來描述其性能外，由于柵極輸入端基本上沒有電流，故討論其輸入特性沒有意義。轉移特性在漏源電壓vDS一定的條件下，柵源電壓vGS對漏極電流iD的特性，即：iD =f (v)GSVDS上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1MOS場效應管3. 轉移特性曲線iD =f (v)GSVDS轉移特性可以從輸出特性上用作圖法得到。也可以由下式畫出。當vGS VT 時( vGS其中 IDO 為vGS = 2VTi= I- 1)2DDOV時的 i值DT由于飽和

10、區(qū)內，iD受vDS的影響很小，因此，在飽和區(qū)內不同vDS下的轉移特性基本重合。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1 MOS場效應管5.1.2 耗盡型 N 溝道 MOSFET（D型）E型：vGS>VT時，才有導電溝道；DD型：Sio2 絕緣層中摻入正離子在vGS= 0 時，能在源區(qū)和漏區(qū)之間B的P型襯底上感應出較多負電荷（電子），形成溝道；在 DS 間加正電壓時形成iD。GSvGS可正可負，vGS>0 時，感應電子，溝道變寬，在vDS作用下iD更大；vGS<0,使溝道中的感應電子減少，溝道變窄，在vDS作用下，iD 減小。vGS £ VP時(夾斷電壓/截

11、止電壓)，全夾斷，iD=0。vGS可正可負，基本無柵流耗盡型MOSFET的重要特點之一。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1 MOS場效應管5.1.2 耗盡型N 溝道MOSFETiD /mAiD /mA2 V0 V飽和漏極電流I夾斷電壓VP- 2 VvGS = - 4 VDSSvGS/VOvDS /VO輸出特性轉移特性耗盡型MOS管的工作區(qū)域同樣可以分為截止區(qū)、可變電阻 區(qū)和飽和區(qū)。所不同的是N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP為負值，而N溝道增強型MOS管的開啟電壓VT為正v值。i= I(1 - GS )2³ V時，當 vDDSSVGSPP可正可負，i »0I

12、DSS表示柵源級間短路時的源極和vGGS漏極之間的電流。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1MOS場效應管5.1.3 P 溝道MOSFET增強型耗盡型DDBSBSGGiD /mAiD /mAVTvGS5/V 5O 2 O 2vGS/V上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1 MOS場效應管 FET 符號、特性的比較iD /mADDiiDBDBVTGGSS 2 O 2v/VGSN 溝道增強型P 溝道增強型iD /mADDiDiDVIPDSSvGS5BBGG/VSS 5ON 溝道耗盡型P 溝道耗盡型上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1MOS場效應管綜上分析可知

13、感生溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管。MOSFET的柵極絕緣，iG=0，輸入電阻很高。電流器件，iD受vGSMOSFET是電壓 預夾斷前iD與vDS呈近似線性iD趨于飽和。；預夾斷后，上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.1.4溝道長度調制效應實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的主要是由于：vDS對溝道長度L有一定的調制作用。即：vGS固定， vDS增加時，iD會有所增加。用溝道長度調制參數(shù)對描述輸出特性的公式進行：( vGS - V )2 (1 + lv-1)2 (1+ lvi= K (v) = I)后DnGS TDSDODSVTl » 0

14、.1V -1為mmL的L當不考慮溝道調制效應時，l0，曲線是平坦的。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2. 圖解分析3. 小信號模型分析上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.2.1MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）由FET組成的放大電路和BJT一樣，要建立合適的靜態(tài)工作點。所不同的是，F(xiàn)ET是電壓合適的柵極-源極電壓。器件，因此它需要有直流通路上頁共源極放大電路電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎下頁5.2.1MOSFET放大1. 直

15、流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）Rg2=VVGS DDR+ Rg1g2須滿足VGS > VT ，否則工作在截止區(qū)> (VGS - VT )假設工作在飽和區(qū)，即 VDSID = Kn (VGS - VT )2再假設工作在可變電阻區(qū)= VDD - ID RdVDS< (VGS - VT )VDS即> (VGS - VT )是否滿足 VDSID = 2Kn (vGS - VT ) vDS如果不滿足，則說明假設錯誤= VDD - ID RdVDS上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎例： 設Rg1=60kW，Rg2=40kW，Rd=15kW=

16、0.2mA / V2V=5V， V =1V， KnDDT試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。æöRg240= ç÷ VDD=´ 5V = 2V解：VGSQç÷R+ Rg260 + 40èøg1假設工作在飽和區(qū)= Kn (VGS - VT )2 = (0.2)(2 - 1)2 mA = 0.2mA= VDD - ID Rd = 5 - (0.2)(15)V = 2VIDQVDSQ假設成立，結果即為所求。> (VGS - VT )滿足 VDS上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5

17、.2.1MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路VGS = VG - VSRg2= + V) - V(VDDSSSSR+ Rg1g2- (ID R - VSS )飽和區(qū)ID = Kn (VGS - VT )2= (VDD + VSS ) - ID (Rd+ R)VDS需要> (VGS - VT )是否滿足 VDS上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.2.1MOSFET放大電路22. 圖解分析由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.2.1MOSFET放大電路S其中：第一項：第二項：

18、第三項：遠小于第二項，可忽略 id = gm vgs= IDQ + g= IDQ + idiD gm = 2K n (VGSQ - VT ) 上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎3. 小信號模型分析D（1）模型G5.2.1MOSFET放大電路S gm = 2K n (VGSQ- VT ) 高頻模型上頁下頁電術基礎3. 小信號模型分析D（1）模型iD = IDQ + g= IDQ + idid = gm vgsGVDDRg1RdCb2d共源放大電路微變等效電路Cb1g+T+Rg3svOvIRRg2-上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎電壓增益vi = vgs + gR= -gvo

19、Rd= voAvvi輸入電阻和輸出電阻gm Rd= -Ri » Rg 3 + Rg1Ro » Rd電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎| Rg 21+ gm Rd上頁下頁V+共源極放大器DDdRgRC2dgC+1= vgs= -gvivoRdT+svo_3gRviv = -gAoRCsgsRRvmdv_i圖idgdgmvgsRg3» Rg 3+ Rg1 | Rg 2RivgsviRdvo» RdRoRg1Rg2-s上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技29 術基礎5.3結型場效應管5.3.1··5.3.2··

20、83;JFET的結構和工作原理·分類結構工作原理JFET的特性曲線及參數(shù)輸出特性轉移特性主要參數(shù)上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管5.3.1JFET的結構和工作原理1. 結構示意圖在一塊N型半導體材料兩邊擴散高濃度的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個PN結。兩邊P+型區(qū)引出兩個歐姆接觸電極并聯(lián)在一起稱為柵極g，在N 型本體材料的兩端各引出一個歐姆 接觸電極，分別稱為源極s和漏極d。兩個PN結中間的N型區(qū)域稱為導電溝道。這種結構稱為N型溝道JFET。N溝道P溝道按導電溝道分上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管5.3.1 JFET的結構和

21、工作原理1. 結構實際結構柵極，用G源極，用S或s表示或g表示漏極，用D或d表示N電溝道符號P型區(qū)# 符號中的箭頭方向表示什么？柵結正偏時，柵極電流的方向從P指向N上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管2. 工作原理（以N溝道JFET為例）偏置電壓的要求：1 .柵-源極間加一負電壓(vGS 0) 作用：使柵-源極間的PN結反偏， 柵極電流iG0，場效應管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達107W左右)。2.漏-源極間加一正電壓(vDS0)作用：使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極 作漂移運動，形成漏極電流iD。在上述兩個電源的作用下,iD的大小主要受柵-源電壓vGS

22、，同時也受漏-源電壓vDS的影響。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管(1) VGS對溝道的當VGS0時 ®作用 (假設vDS=0)PN結反偏，vGS­®電阻增大；耗盡層加厚， 溝道變窄，當溝道夾斷時，對應的柵源電壓VGS稱為夾電壓VP （ 或VGS(off) ）。電阻® ¥結論：vGS溝道電阻的大小。若加固定的正向電壓vDS，則iD受vGS的。對于N溝道的JFET，VP <0。上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管(2) VDS對溝道的作用當VGS=0時，VDS=0 ® ID

23、=0VDS­ ® ID 近似線性­G、D間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄， 從上至下呈楔形分布®阻礙iD增加。iD/mA當V增加到使V=VDSGDPvGS=0i時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷®iD=IDSS®飽和區(qū)。DSS反向擊穿繼續(xù)VDS ­®夾斷區(qū)向下延伸® 溝道電阻­® ID»IDDSVDS>V(BR)DS®反向擊穿|VP|V(BR)DS0vDS/V上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3結型場效應管(3) VGS和VDS

24、同時作用時當VP <VGS<0 時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的VDS ， ID的值比VGS=0時的值要小。在預夾斷處 VGD=VGS-VDS=VP預夾斷軌跡VGD=VGS-VDS =VPvGS=0VGS £VP® 溝道截止iD=0i /mADvGS=-1V預夾斷點vGS=VP0電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎vDS/V截止區(qū)上頁下頁5.3結型場效應管綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管。JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此iG»0，輸入電阻很高。電流器件，iD受vGSJFET是電壓 預夾斷前iD與vDS呈近似線性iD趨于飽和。；預夾斷后，上頁下頁電子技術基礎精品課程模擬電子技術基礎5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)iD = f (vDS )1. 輸出特性2. 轉移特性v=const.GSiD =f (vGS )vDS =const.viD = IDSS (1 - G