模擬電子技術(shù) 第3章場效應(yīng)管及其模擬電路.ppt

1、第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。這種器件不僅兼有體積小、重量輕、壽命長和省電的特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場效應(yīng)管可以分為兩大類。,(1) 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET),(2) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET),利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)進(jìn)行工作，也稱為體內(nèi)場效應(yīng)器件,利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作，也稱為表面場效應(yīng)器件,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,實(shí)際N溝道JFET的結(jié)構(gòu)剖面圖,圖3-1(b) PJEFT的符號(hào),圖3-1(a) NJ

2、FET的符號(hào),第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,按導(dǎo)電溝道來分，JFET又分為N溝道和P溝道兩種。JFET的符號(hào)如圖3-1。 箭頭方向表示PN結(jié)正偏時(shí)的電流方向。JFET正常工作時(shí)，PN結(jié)必須反偏或者零偏。,在一塊N型半導(dǎo)體材料兩邊擴(kuò)散出高濃度的P型區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié).兩邊P+型區(qū)引出兩個(gè)電極并連在一起稱為柵極g，在N型本體材料的兩端各引出一個(gè)電極,分別稱為源極s和漏極d。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道。這種結(jié)構(gòu)成為N溝道型JFET。,vGS0,vGS0,vDS0,vDS0,柵極電流IG很小，呈現(xiàn)高阻特性,3.1.1 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線,圖3-2 NJFET的輸出特性,第三章

3、場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,(a),(b),N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線就是在柵源電壓vGS一定時(shí)，漏極電流iD 隨漏源電壓vDS的規(guī)律變化，即iD=f(vDS)|vGS=常數(shù)。 如圖3-2(a) ，令vGS=0V，D、S之間加直流電壓源VDD，調(diào)節(jié)VDD，使vDS由0V逐漸增大，測出相應(yīng)的漏極電流iD隨漏源電壓vDS變化的數(shù)據(jù)見表3-1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到iD與vDS間的關(guān)系曲線如圖3-2(b)所示。,-,+,VGG,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,圖3-2 NJFET的輸出特性,當(dāng)vDS較小時(shí)，iD隨vDS的變化近似于直線關(guān)系，即iD與vDS成比例

4、；隨著vDS的增大，上升率變緩，當(dāng)vDS=VDSK（膝點(diǎn)值）后，再繼續(xù)增大vDS，則iD基本保持不變；當(dāng)vDS增至某一值時(shí)，iD急劇增大，進(jìn)入擊穿狀態(tài)。 改變vGS的值（滿足vGS0），重復(fù)上述過程，可得到相應(yīng)的iD=f(vDS)|vGS=常數(shù)的曲線，如圖3-2(c)所示。,(b),(c),圖3-2(c) N溝道JFET的輸出特性,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,1. 夾斷電壓vGS,off 保持vDS不變（如vDS=10V），將vGS由0變?yōu)樨?fù)值，并使vGS的絕對值增大，則iD減小，輸出特性曲線下移；當(dāng)vGS等于某一值時(shí)，iD近似等于零。我們把iD等于零時(shí)的柵源電壓vGS

5、值稱為夾斷電壓，記做vGS,off。 有兩種方法可以從輸出特性曲線觀察夾斷電壓vGS,off的值。其一，觀察最接近橫軸的那條曲線的vGS值，則vGS,off的值比它更負(fù)一些（對NJFET管）；其二，可以觀察vGS=0V的那條曲線膝點(diǎn)所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值VDSKVGS,off。,VGS,off,ID,2. 四個(gè)區(qū)，即恒流區(qū)（放大區(qū)）、可變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū) 圖3-2(c)中每條曲線的第一個(gè)膝點(diǎn)的連線是可變電阻區(qū)與恒流區(qū)的分界線，每條曲線的第二個(gè)膝點(diǎn)的連線是恒流區(qū)與擊穿區(qū)的分界線。,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,圖3-2(c) N溝道JFET的輸出特性,恒流區(qū),可變電阻區(qū),截

6、止區(qū),擊 穿 區(qū),ID,3. 各個(gè)區(qū)的基本特征,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,圖3-2(c) N溝道JFET的輸出特性,恒流區(qū)：vGS在一定范圍內(nèi)（N溝道JFET，VGS,offvGS0），vGS對iD有很強(qiáng)的控制作用，而vDS對iD的影響很小。iD相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源，但不是線性控制。,恒流區(qū),可變電阻區(qū)：當(dāng)vDS很小時(shí)，iD與vDS近似于線性關(guān)系，即vDS與iD的比值為一個(gè)電阻。當(dāng)改變vGS時(shí)，直線斜率改變，即電阻值改變，故稱為可變電阻區(qū)。在可變電阻區(qū)，D、S之間相當(dāng)于一個(gè)壓控電阻。,可變電阻區(qū),截止區(qū)：當(dāng)|vGS|vGS,off|，iD=0時(shí)，D、S之間相當(dāng)于開路。

7、,截止區(qū),擊 穿 區(qū),擊穿區(qū)：表明PN結(jié)反向擊穿，電流急劇增大，以至于毀壞JFET。因此，擊穿區(qū)是禁用的。,ID,3.1.2 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性是指vDS一定時(shí)，iD隨vGS的變化規(guī)律，即iD=f(vGS)|vDS=常數(shù),第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,3.1.2.1 如何由輸出特性曲線畫出轉(zhuǎn)移特性曲線 選vDS=常數(shù)（如10V），在輸出特性（圖3-3a）的恒流區(qū)做垂直線，可得一組vGS和iD值，畫出轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3-3(b)所示。vDS 取不同的值，轉(zhuǎn)移特性曲線略有差別，只要vDS的取值在恒流區(qū)，所得曲線族趨于重合。,圖3-3 由輸出特性曲線畫出

8、轉(zhuǎn)移特性曲線,圖3-2(a),-,+,VGG,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,3.1.2.2 轉(zhuǎn)移特性公式 在結(jié)型場效應(yīng)管的恒流區(qū)內(nèi)，漏極電流iD與柵源電壓vGS的關(guān)系遵從二次函數(shù)規(guī)律，即,式(3-1)稱為JFET的轉(zhuǎn)移特性公式，。式中，IDSS稱為柵源短路時(shí)的漏極飽和電流，即vGS=0V的那一條輸出特性曲線在恒流區(qū)所對應(yīng)的iD值。vGS,off為夾斷電壓。,式(3-1),P溝道JFET的輸出特性、轉(zhuǎn)移特性與轉(zhuǎn)移特性公式?,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,P溝道,JEFT,EMOS,DMOS,N溝道,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬

9、氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,轉(zhuǎn)移特性,JEFT,EMOS,DMOS,轉(zhuǎn)移特性,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,對于P溝道的JFET，須要改變相應(yīng)的電壓極性（vDS為負(fù)，vGS為正，vGS,off為正）,N溝道,P溝道,vGS,vDS,VGS,off,0,0,0,0,0,0,iD,IDSS,0,0,0,0,vGS0,vDS0,P,N,N,圖3-1(a) NJFET的符號(hào),圖3-1(b) PJEFT的符號(hào),vGS0,vDS0,N,P,P,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.1 結(jié)型場效應(yīng)管,P溝道JFET的轉(zhuǎn)移特性公式與N溝道JFET相同。,式(3-1),3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)

10、管,1) n溝道管，由電子導(dǎo)電。 2) p溝道管，由空穴導(dǎo)電。 按工作方式又可以分為： 1) 增強(qiáng)型管。柵壓為零時(shí)不能導(dǎo)電。 2) 耗盡型管。柵壓為零時(shí)管子能導(dǎo)電。JFET為耗盡型場效應(yīng)管。,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,于是出現(xiàn)四種MOSFET: 增強(qiáng)型N溝道MOS（E-NMOSFET） 耗盡型N溝道MOS（D-NMOSFET） 增強(qiáng)型P溝道MOS（E-PMOSFET） 耗盡型P溝道MOS（D-PMOSFET）,在絕緣型場效應(yīng)管中，應(yīng)用最多的是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)。MOSFET從導(dǎo)電溝道的類型上分為：,3.2.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3

11、.2.1.1 結(jié)構(gòu)與電路符號(hào),柵極被一層很薄的SiO2絕緣，使柵極G與襯底（P型區(qū)）之間沒有電流；從D到S或從S到D有兩個(gè)方向相反的PN結(jié)，使得D到S或S到D不導(dǎo)通，沒有初始導(dǎo)電溝道； 襯底B可以內(nèi)部與源級(jí)S相連，外引三個(gè)電極，也可以將B作為第4個(gè)電極引出來。 電路符號(hào)中的溝道斷開，以表示沒有初始導(dǎo)電溝道，屬于增強(qiáng)型。箭頭方向，表示PN結(jié)正偏時(shí)電流從B流入，說明襯底相連的是P區(qū)，表明是N溝道MOSFET。,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,圖3-4 N溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào),第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2.1.2 工作原理,G與S之間加電壓vGS，二氧化硅中將產(chǎn)生一個(gè)由G指向B

12、的電場。當(dāng)vGS增大到某一值（開啟電壓vGS,th ）時(shí)，電場將P區(qū)中的電子吸引到靠近SiO2的表面附近，使之成為以電子導(dǎo)電為主的感生N型層，將兩個(gè)N區(qū)連通，形成N型導(dǎo)電溝道。因?yàn)闇系朗庆o電場感應(yīng)而生成，也稱感生溝道（反型層）。此時(shí)，若D、S之間加電壓，將會(huì)產(chǎn)生漏極電流iD（源極電流iS=iD）。 vGS越大，N溝道越寬，漏極電流就越大。vGS對iD實(shí)現(xiàn)了壓控作用。iD（或iS）成為壓控電流源。,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,圖3-5 增強(qiáng)型NMOS的工作原理,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2.2 E-NMOSFET的特性曲線,3.2.2.1 E-NMOSFET的輸出特性曲線,E-NM

13、OSFET的輸出特性曲線與NJFET輸出特性曲線的主要區(qū)別在于：E-NMOSFET的控制電壓vGS為正，而NJFET的控制電壓vGS為負(fù)； 對E-NMOSFET而言，當(dāng)vGSVGS,th（開啟電壓），產(chǎn)生感生溝道后才能對iD有控制作用， vGS的下限值為開啟電壓VGS,th，無上限的嚴(yán)格限制，沒有漏極飽和電流IDSS，對NJFET而言，vGS的上限值為0，下限值為夾斷電壓VGS,off，有漏極飽和電流IDSS。與NJFET相似或相同的是分為四個(gè)區(qū)，即恒流區(qū)、可變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,圖3-6(a) E-NMOSFET的輸出特性曲線,N-JFET的輸出特性曲

14、線,圖3-6(b) E-NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2.2.2 E-NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線,(1) 由輸出特性畫出轉(zhuǎn)移特性的方法與NJFET相似。E-NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性 如圖3-6(b)所示。 (2) 轉(zhuǎn)移特性公式 當(dāng)vGSvGS,th時(shí)，iD與vGS的關(guān)系也是二次函數(shù)，即,式中，K為溝道系數(shù)，單位為mA/V2或A/V2。K的大小由溝道的長、寬和單位面積的柵電容等因素決定。由圖3-6(b)可以看出，當(dāng)vGS=2vGS,th對應(yīng)的電流值為ID2時(shí)，則K=ID2/V2GS,th。,式(3-2),ID2,VGS,th,2VGS,th,3.2 金屬氧化物

15、半導(dǎo)體場效應(yīng)管,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2.3 N溝道耗盡型MOSFET,耗盡型與增強(qiáng)型的根本區(qū)別在于有無初始的導(dǎo)電溝道。耗盡型有初始導(dǎo)電溝道，即vGS=0V時(shí)，已有初始導(dǎo)電溝道的存在；增強(qiáng)型沒有初始導(dǎo)電溝道。因此耗盡型有夾斷電壓VGS,off和柵源短路時(shí)的漏極飽和電流IDSS。增強(qiáng)型則有開啟電壓VGS,th。 結(jié)型場效應(yīng)管屬于耗盡型場效應(yīng)管。,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,3.2.3.1 D-NMOSFET的輸出特性曲線,因?yàn)镈-NMOSFET的vGS=0時(shí)，有初始溝道，所以vGS可以為正（感生溝道加寬，iD增大），也可以為負(fù)（感生溝道變窄，iD減小）。也就是說，耗盡型NMOS

16、FET可以工作于零偏壓方式、正偏壓方式和負(fù)偏壓方式。,圖3-7 D-NMOSFET的輸出特性曲線,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,3.2.3.2 D-NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性,如圖3-7所示，可由輸出特性曲線畫出轉(zhuǎn)移特性?？梢?，轉(zhuǎn)移特性的vGS取值范圍比NJFET增加了正向區(qū)域。 D-NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性公式在形式上與JFET的轉(zhuǎn)移公式相同，即,式(3-3),式中，VGS,off、IDSS的意義與NJFET相同。不同點(diǎn)在于vGS的取值范圍。 同樣，式(3-3)對D-NMOSFET和D-PMOSFET都適用。只要注意VGS,off的正、負(fù)值即可（D-NMOSF

17、ET：VGS,off為負(fù)值；D-PMOSFET：VGS,off為正值）。,圖3-7 D-NMOSFET的輸出特性曲線,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,NJEFT,ENMOS,DNMOS,iD0,vDS0 vGS0,VGS,off0,iD0,vDS0 vGS0,VGS,th0 IDSS0,iD0,vDS0 vGS0,VGS,off0,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,P溝道,JEFT,EMOS,DMOS,N溝道,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,P溝道,JEFT,EMOS,DMOS,N

18、溝道,轉(zhuǎn)移特性方程,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.3 FET的主要參數(shù)和小信號(hào)模型,3.3.1 FET的主要參數(shù),耗盡型FET的主要直流參數(shù)（包括JFET）VGS,off、IDSS 漏極飽和電流IDSS：柵源短路時(shí)（即vGS=0V）時(shí)的漏極飽和電流。所謂飽和電流是指vDS的變化對iD的影響很小，輸出特性曲線進(jìn)入恒流段的電流值。 夾斷電壓VGS,off：當(dāng)柵源電壓vGS等于夾斷電壓時(shí)，漏極（或源級(jí)）電流減小到近似等于零。在輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線圖中可以確定VGS,off的近似值。 增強(qiáng)型MOSFET的主要直流參數(shù) 開啟電壓VGS

19、,th：當(dāng)|vGS|VGS,th|時(shí)，感生溝道產(chǎn)生，開始有漏極電流iD。 溝道系數(shù)K由生產(chǎn)廠家來提供，也可以自行測量。當(dāng)vGS=2VGS,th時(shí)的漏極電流iD用ID2表示。根據(jù)轉(zhuǎn)移特性方程可得，ID2=K(VGS,th)2，故K=IDS/V2GS,th。 3. 直流輸入電阻RGS。JFET的直流輸入電阻RGS在1081012 之間；MOSFET的直流輸入電阻RGS在10101015之間，通?？烧J(rèn)為RGS。,3.3.1.1 直流參數(shù),第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.3 FET的主要參數(shù)和小信號(hào)模型,柵源擊穿電壓VBR,GSO：漏極開路時(shí)，柵極與源極之間的擊穿電壓。對于JFET而言，該參數(shù)為PN結(jié)反向擊穿電壓，對于MOSFET而言，該參數(shù)為SiO2絕緣層被擊穿時(shí)的柵源電壓。 漏源擊穿電壓VBR,DSO：柵極開路時(shí)，值，即PDM=(iDvDS)max=常數(shù)。漏極與源極之間的擊穿電壓。 漏極最大功耗PDM：場效應(yīng)管所能允許的漏源電壓與漏極電流乘積的最大,3.3.1.2 極限參數(shù),第三章 場效應(yīng)管及其模擬電路,3.4 場效應(yīng)管放大電路,3.4. 1 FET的直流偏置電路,FET的直流偏置電路