模電-電子線路線性部分第五版-主編-馮軍-謝嘉奎第三章課件教學講義課件

模電-電子線路線性部分第五版-主編-馮軍-謝嘉奎第三章課件概述場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應管與三極管主要區(qū)別：

場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。

場效應管是單極型器件(三極管是雙極型器件)。場效應管分類：MOS場效應管結型場效應管第3章場效應管3.1MOS場效應管P溝道(PMOS)

N溝道(NMOS)

P溝道(PMOS)N溝道(NMOS)MOSFET增強型(EMOS)

耗盡型(DMOS)

N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反。第3章場效應管

VDS

對溝道的控制(假設VGS>VGS(th)

且保持不變)

VDS

很小時→VGD

VGS。此時W

近似不變，即Ron

不變。由圖

VGD=VGS-VDS因此VDS

→ID

線性。

若VDS→則VGD→近漏端溝道W

→Ron增大。此時Ron

→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章場效應管當VDS

增加到使VGD=VGS(th)

時→A點出現預夾斷若VDS

繼續(xù)

→A點左移→出現夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定)若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l不變(即Ron不變)。因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS

→ID

基本維持不變。

第3章場效應管若考慮溝道長度調制效應則VDS→溝道長度l→溝道電阻Ron略。因此VDS→ID

略。由上述分析可描繪出ID

隨VDS變化的關系曲線：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。第3章場效應管

MOS管僅依靠一種載流子(多子)導電，故稱單極型器件。三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：第3章場效應管由于MOS管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。共源組態(tài)特性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數轉移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數輸出特性：

伏安特性+TVDSIG

0VGSID+--轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉換。第3章場效應管

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當VGS為常數時，VDS

ID近似線性

，表現為一種電阻特性；當VDS為常數時，VGS

ID

，表現出一種壓控電阻的特性。溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。

第3章場效應管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V數學模型：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽和區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關系：其中，W、l為溝道的寬度和長度。COX

(=

/

OX,SiO2層介電常數與厚度有關)為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當于三極管的飽和區(qū)。第3章場效應管飽和區(qū)特點：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關，表現出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預夾斷后對應的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應三極管的放大區(qū)。第3章場效應管數學模型：若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程：工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：其中，

稱溝道長度調制系數，其值與l有關。通常

=(0.005~0.03)V-1第3章場效應管截止區(qū)特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區(qū)域。IG

0，ID

0

擊穿區(qū)

VDS

增大到一定值時

漏襯PN結雪崩擊穿

ID劇增。

VDS

溝道l

對于l較小的MOS管

穿通擊穿。第3章場效應管由于MOS管COX很小，因此當帶電物體(或人)靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2

絕緣層中將產生很大的電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1、D2一方面限制VGS間最大電壓，同時對感生電荷起旁路作用。第3章場效應管

NEMOS管轉移特性曲線VGS(th)=3VVDS

=5V轉移特性曲線反映VDS為常數時，VGS對ID的控制作用，可由輸出特性轉換得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345轉移特性曲線中，ID=0時對應的VGS值，即開啟電壓VGS(th)。第3章場效應管

襯底效應集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證U與S、D之間PN結反偏，襯底應接電路最低電位(N溝道)或最高電位(P溝道)。若|VUS|

-+VUS耗盡層中負離子數

因VGS

不變(G極正電荷量不變)

ID

VUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據襯底電壓對ID的控制作用，又稱U極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻擋層寬度

表面層中電子數

第3章場效應管

P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-NN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID流向相反。不同之處：電路符號中的箭頭方向相反。SGUDID第3章場效應管3.1.2耗盡型MOS場效應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結構VGS=0時，導電溝道已存在對比增強型？溝道線是實線第3章場效應管

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>0，VGS正、負、零均可。外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。第3章場效應管3.1.3四種MOS場效應管比較

電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第3章場效應管

飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極性及數學模型

VDS

極性取決于溝道類型N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0

VGS

極性取決于工作方式及溝道類型增強型MOS管：VGS與VDS極性相同。耗盡型MOS管：VGS取值任意。

飽和區(qū)數學模型與管子類型無關第3章場效應管臨界飽和工作條件非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))工作條件|VDS|=|VGS

–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–

VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，飽和區(qū)(放大區(qū))工作條件|VDS|<|VGS–

VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))數學模型第3章場效應管

FET直流簡化電路模型(與三極管相對照)

場效應管G、S之間開路，IG

0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：

三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC

=

IB

。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB

+-第3章場效應管3.1.4小信號電路模型

MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)

gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-

rds

為場效應管輸出電阻：

由于場效應管IG

0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結正偏，故輸入電阻rb

e較小。與三極管輸出電阻表達式rce1/(ICQ)相似。rb

ercebceibic+--+vbevcegmvbe第3章場效應管（

——溝道長度調制系數，

=－1/|VA|）

MOS管跨導通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。第3章場效應管計及襯底效應的MOS管簡化電路模型（襯底與源極不相連）考慮到襯底電壓vus對漏極電流id的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導，工程上

為常數，一般

=0.1~0.2。第3章場效應管

MOS管高頻小信號電路模型當高頻應用、需考慮管子極間電容影響時，應采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容(漏襯與源襯之間的勢壘電容)柵漏極間平板電容第3章場效應管場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。3.1.5MOS管電路分析方法場效應管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應管電路時，一定要注意自身特點。估算法第3章場效應管

MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非飽和模式(需重新計算Q點)N溝道管：VGS<VGS(th)P溝道管：VGS>VGS(th)截止條件非飽和與飽和(放大)模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關系式。c)聯立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數學模型：第3章場效應管例1已知

nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假設T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M

4k

TSRG1RG2RDRS0.8M

10k

GID代入已知條件解上述方程組得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD

-

ID(RD+RS)=6V因此驗證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設成立。第3章場效應管小信號等效電路法場效應管小信號等效電路分析法與三極管相似。利用微變等效電路分析交流指標。畫交流通路；將FET用小信號電路模型代替；計算微變參數gm、rds；注：具體分析將在第4章中詳細介紹。第3章場效應管3.2結型場效應管

JFET結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第3章場效應管

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結反偏)VGS<0(保證柵源PN結反偏)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第3章場效應管

VGS

對溝道寬度的影響|VGS|

阻擋層寬度

若|VGS|

繼續(xù)

溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度

溝道電阻Ron

第3章場效應管

VDS

很小時→VGD

VGS由圖VGD=VGS

-VDS因此VDS→ID線性

若VDS→則VGD→近漏端溝道→Ron

增大。此時Ron→ID變慢

VDS

對溝道的控制(假設VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron

不變第3章場效應管當VDS

增加到使VGD=VGS(off)

時→A點出現預夾斷若VDS

繼續(xù)→A點下移→出現夾斷區(qū)此時VAS=VAG

+VGS

=-VGS(off)+VGS(恒定)若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l不變(即Ron不變)。因此預夾斷后：VDS→ID基本維持不變。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第3章場效應管利用半導體內的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。JFET工作原理：綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。第3章場效應管

NJFET輸出特性非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點：ID同時受VGS與VDS的控制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2伏安特性曲線線性電阻：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第3章場效應管飽和區(qū)(放大區(qū))特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數學模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關系，但由于JFET與MOS管結構不同，故方程不同。第3章場效應管截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG

0，ID=0

擊穿區(qū)VDS

增大到一定值時近漏極PN結雪崩擊穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID劇增。VGS

越負則VGD

越負相應擊穿電壓V(BR)DS

越小第3章場效應管

JFET轉移特性曲線同MOS管一樣，JFET的轉移特性也可由輸出特性轉換得到(略)。

ID=0時對應的VGS值

夾斷電壓VGS(off)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N溝道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P溝道JFET

)VGS=0時對應的ID值

飽和漏電流IDSS。第3章場效應管JFET電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數學模型不同，因此，跨導計算公式不同。

JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源極)(直流電路模型)(小信號模型)利用得第3章場效應管各類FET管VDS、VGS

極性比較

VDS極性與ID

流向僅取決于溝道類型

VGS

極性取決于工作方式及溝道類型由于FET類型較多，單獨記憶較困難，現將各類FET管VDS、VGS極性及ID流向歸納如下：N溝道FET：VDS>0，ID流入管子漏極。P溝道FET：VDS<0，ID自管子漏極流出。JFET管：VGS與VDS極性相反。增強型：VGS與VDS極性相同。耗盡型：VGS取值任意。MOSFET管第3章場效應管場效應管與三極管性能比較項目

器件電極名稱工作區(qū)導電類型輸入電阻跨導三極管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小大場效應管s極g極d極飽和區(qū)非飽和區(qū)單極型大小第3章場效應管

N溝道EMOS管GD相連

構成有源電阻3.3.1有源電阻3.3場效應管應用原理v=vDS=vGS，i=iD由圖知滿足vDS

>

vGS–vGS(th)因此當vGS>vGS(th)時N溝道EMOS管

工作在飽和區(qū)。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流電阻：(小)交流電阻：(大)Tvi+-+-vRi第3章場效應管

N溝道DMOS管GS相連

構成有源電阻v=vDS，vGS=0

，i=iD由圖因此，當vDS

>

0–vGS(th)時，管子工作在飽和區(qū)。伏安特性即vGS

=0

時的輸出特性。由得知當vGS

=0

時，電路近似恒流輸出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi第3章場效應管有源電阻

構成分壓器若兩管

n、

COX、VGS(th)相同，則聯立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由圖I1=I2V1+

V2=

VDDV1+

V2=

VDD調整溝道寬長比(W/l)，可得所需的分壓值。第3章場效應管第32周平均數問題專題簡析：在日常生活中，我們會遇到下面的問題：有幾個杯子，里面的水有多有少，為了使杯中水一樣多，就將水多的杯子里的水倒進水少的杯子里，反復幾次，直到幾個杯子里的水一樣多。這就是我們所講的“移多補少”，通常稱之為平均數問題。解答平均數應用題關鍵是要求出總數量和總份數，然后再根據“總數量÷總份數=平均數”這個數量關系式來解答。用4個同樣的杯了裝水，水面的高度分別是8厘米、5厘米、4厘米、3厘米。這4個杯子里水面的平均高度是多少厘米？王牌例題1：

（8＋5＋4＋3）÷3=5（厘米）1、小華期末測試語文、數學、英語成績分別是92分、96分、94分。這三門功課的平均成績是多少分？舉一反三1：2、某工廠有四個車間，每個車間分別有工人260人、300人、280人、312人。平均每個車間有工人多少人？舉一反三1：3、甲筐有梨32千克，乙筐有梨38千克，丙、丁筐共有梨50千克。平均每筐有梨多少千克？舉一反三1：幼兒園小朋友做紅花，小華做了7朵，小方做了9朵，小林和小寧合做了12朵。平均每個小朋友做了多少朵？王牌例題2：

（7＋9＋12）÷4=7朵1、一個書架上第一層放書52本，第二層和第三層共放70本，第四層放了