第三章模擬集成電路

第三章模擬集成電路第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章場效應(yīng)管及基本放大電路MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路場效應(yīng)管基本放大電路第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)MOS場效應(yīng)極管場效應(yīng)管：是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導體器件。1.根據(jù)載流子來劃分：N溝道器件：電子作為載流子的。P溝道器件：空穴作為載流子的。2.根據(jù)結(jié)構(gòu)來劃分：

結(jié)型場效應(yīng)管JFET：

絕緣柵型場效應(yīng)管IGFET：第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)

增強型MOSFET結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖：D為漏極，相當C；

G為柵極，相當B；

S為源極，相當E。

一、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的工作原理絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET分為：

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖柵壓為零時有溝道柵壓為零時無溝道P型硅作襯底濃度較低引出電極B在P型襯底上生成SiO2薄膜絕緣層引出電極G極用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極：S極和D極第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月由于BS短接,G與襯底B間產(chǎn)生電場，電子被正極板吸引,空穴被排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子——電子，將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。1．柵源電壓UGS的控制作用漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。即:ID=0（二）工作原理(1).當UGS=0V時:(2).0＜UGS＜UT時:第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月(3).當UGS=UT:(UT稱為開啟電壓)1.在UGS=0V時ID=0;2.只有當UGS＞UT后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。出現(xiàn)反型層,與N形成一體,形成導電溝道;當UDS＞0時:D

溝道

S之間形成漏極電流。(4).當UGS＞UT:(UT稱為開啟電壓)隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻

，ID將不斷

（續(xù)）工作原理結(jié)論第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月(1).轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。(2).gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導?？鐚У亩x式如下：圖03.14轉(zhuǎn)移特性曲線gm=

ID/

UGS

UDS=const(單位mA/V)（三）特性曲線UGS對ID的控制關(guān)系可用如下曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線ID=f(UGS)

UDS=const1.轉(zhuǎn)移特性曲線如圖：第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月(1).UGS<UT時：溝道未形成，ID=0管子處于截止狀態(tài)(2).UGS

UT時：溝道形成，ID>0隨UGS

溝道加厚

溝道電阻

ID

UDS正向減小，曲線右移，但UDS不同的曲線差別很小在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID與UDS的關(guān)系為：ID=K(UGS-UT)2

;式中K為導電因子ID=(UGS-UT)2

nCOXW/2L短溝道時：ID=K(UGS-UT)2(1+UDS)第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月且UGS固定為某一很小值時：UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。圖03.15(a)漏源電壓UDS對溝道的影響(動畫2-5)2．輸出特性曲線

此時有如下關(guān)系:

（1）可變電阻區(qū)UGS＞UT:反映了漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用：ID=f(UDS)

UGS=constID=K(UGS-UT)2UDS由上式可知:UGS一定恒流區(qū)內(nèi)：Ron=

dUDS/

dID|dUGS=0Ron=

L

/

nCOXW(UGS-UT)1.UGS恒定時近似為常數(shù)。2.Ron隨UGS而變化，故稱可變電阻區(qū)。第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖03.16漏極輸出特性曲線第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月當UDS=

UGS-UT時:(由于的存在，導電溝道不均勻)此時漏極端的導電溝道將開始消失（稱預夾斷）(2)恒流區(qū)：UDS=0或較小時:(即UGD＞UT)當UGS一定時：ID隨UDS基本不變，ID恒定稱恒流區(qū)。當UDS>UGS-UT時:隨UDS夾斷點向移動，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。(3)擊穿區(qū)：當UDS增加到某一臨界值時，ID

（急?。┘碊與襯底之間擊穿。第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月漏源電壓UDS對溝道的影響圖03.16漏極輸出特性曲線當UGS＞UT，且固定為某一值時:

UDS對ID的影響的關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月UGS＜0時；隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖所示，(二)N溝道耗盡型MOSFET

當UGS=0時；正離子已感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。(a)結(jié)構(gòu)示意圖在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當UGS＞0時；將使ID進一步增加。第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖03.17N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線:如圖所示第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線:圖03.18N溝道耗盡型的輸出特性曲線第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。區(qū)別是導電的載流子不同，供電電壓極性不同。同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。(三)P溝道耗盡型MOSFET第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導電溝道不同，以及增強型還是耗盡型,可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于下圖之中。2.伏安特性曲線第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖03.18各類絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機理也相同。如圖:在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極;N型硅的一端是漏極;另一端是源極。圖03.19結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)一.結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu):柵極漏極源極第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

二.結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作反偏的條件下。N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負柵壓區(qū)。P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

①柵源電壓對溝道的控制作用4.當漏極電流為零時所對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP、這一過程如圖02.20所示。

1.當UGS=0時:耗盡層、溝道寬，溝道電阻小，N區(qū)電子隨UDS

，產(chǎn)生

ID并。

2.當UGS＜0時（即負壓）時:PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小。

3.當UGS繼續(xù)減?。簇搲?/p>

）：溝道繼續(xù)變窄，，并在極附近耗盡層相遇，稱預夾斷，ID繼續(xù)減小直至為0。第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月圖02.21漏源電壓對溝道的控制作用第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

②漏源電壓對溝道的控制作用當UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)時；在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷，所示。當UDS繼續(xù)增加；漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應(yīng)管十分相似，見圖03.15。當UGS＞UGS(off)；若漏源電壓UDS從零開始增加，則UGD=UGS-UDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，所示。第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

(三)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正可負，而結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。JFET的特性曲線有兩條：轉(zhuǎn)移特性曲線：輸出特性：第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)場效應(yīng)管的主要參數(shù)和微變等效電路一場效應(yīng)管的直流參數(shù)二場效應(yīng)管的微變參數(shù)三場效應(yīng)管的型號四場效應(yīng)管的微變等效電路第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電的絕對值,場效應(yīng)管不能導通(即IG=0)。夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當漏極電流為零時,UGS=UP耗盡型場效應(yīng)三極管當UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。一場效應(yīng)三極管的直流參數(shù)①開啟電壓UT②夾斷電壓UP③飽和漏極電流IDSS

④場效應(yīng)管柵源輸入電阻RGS：柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值:結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時RGS約大于107Ω，絕緣柵場效應(yīng)管RGS約是109～1015Ω。

漏源、柵源擊穿電壓BUDS、

B

UGS第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月①低頻跨導gm

低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移

特性曲線上求取，單位是mA/V或mS(毫西門子)。二場效應(yīng)管的微變參數(shù)(1).圖解法求解：在曲線上作切線，其斜率為gm第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月(2).解析法求解：增強型MOSFET:gm=1/Ron耗盡型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)

2IDSS/Up②襯底跨導gmb

③漏極電阻rdS：可在輸出特性曲線上求解第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月④導通電阻Ron：

極間電容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流區(qū)：下表列出了MOS管參數(shù)第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月表3-2常用場效應(yīng)三極管的參數(shù)第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

三場效應(yīng)管的微變等效電路1.低頻等效電路：Ugs+-gmUgs1/gds

+-Ugs+IdFET低頻微變等效電路（dUBS=0）第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2.高頻等效電路：FET高頻微變等效電路（dUBS=0）UgsGSgmUgs1/gds

DSUgsIdCdsCgs第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較(續(xù))第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)場效應(yīng)管的基本放大電路一場效應(yīng)管的偏置電路二外加偏置電路三三種基本放大電路四三種接法基本放大電路的比較第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一場效應(yīng)管的偏置電路（一）自給偏置電路：(1).UGS=

0時：IS=IDRS兩端電壓為：US=ISRS(2).由于IG=0;UG=0:

UGS=

-ISRS=-IDRS由此構(gòu)成支流偏壓，所以稱為自給偏壓式。1.基本型自給偏置電路：基本型自給偏置電路第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2.改進型自給偏置電路：(1).由R1=R2分壓，給RG一個固定偏壓。RG很大以減小對輸入電阻的影響。(2).對于耗盡型FET：

UGS=EDR2/(R1+

R2)-IDRS此時：RS大Q點不會低。改進型自給偏置電路ID=IDSS[1－(UGS/Up)]2第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）外加偏置電路：外加偏置電路對于增強型MOSFET:UGS=

0時：ID=0(1).此時靠外加偏壓：UGS=EDRL/(R1+

R2)(2).改進型外加偏壓：UGS=EDRL/(R1+

R2)-IDRS對于JFET,須保證|US|>|US|時，放大器具有正確的偏壓。耗盡型以自給偏壓為主第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二三種基本放大電路結(jié)型共源放大器電路電壓增益為:1.未接CS時:等效電路如圖:一般

rds>>

RD

RL>>RS;rds可忽略.（一）共源組態(tài)基本放大器第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月放大器的輸入電阻為:放大器的輸出電阻為:ri’=RG+(R1//R2)

RGro’

RD2.接入CS時:Ugs-gmUgsrds

+-Uo+GUiRDRLR1RGR2SDri'ro'AU

-gmRD’ri’=RG+(R1//R2)

RGro’=RD//rds

RD第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型共漏放大器電路電壓增益為:其等效電路如圖:（二）共漏組態(tài)基本放大器共漏放大器電路如圖:ri’=

RG輸入電阻為:式中:Rs’=rds//Rs//RL

Rs//RL>>1第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月求輸入電阻:1.畫等效電路：令Ui=0、RL開路；在輸出端加測試電壓Uot2.求輸入電阻:Ugs=-Uot;Iot=Uot(1/Rs+gm)根據(jù)輸出電阻的定義：ro'

=Uot/Iot=Rs//

（1/

gm）第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）共柵組態(tài)基本放大器其等效電路如圖:共柵放大器電路如圖:-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24.共柵放大器典型電路電壓增益為:式中:RD’=RD//RL3-22.共柵放大器等效電路(電流源)3-22.共柵放大器等效電路(電壓源)第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月ri’=

Rs//ri輸入電阻為:-gmrdsUirds

+-Uo+GUiRD’RsSDId

+-3-22.共柵放大器等效電路(電壓源)ri’riri=

Ui//Id1/gm當rds>>RD’,gm

rds>>1時：所以：ri’

Rs//（1/gm）輸出電阻為:ro’

RD//rds

RDro’第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月表3-3FET三種組態(tài)性能比較第47頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一共源組態(tài)基本放大電路場效應(yīng)管共源基本放大電路，可與共射組態(tài)的晶體管放大電路相對應(yīng)。區(qū)別是場效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。圖03.28結(jié)型共源組態(tài)接法基