電子線路線性部分場效應(yīng)管

1、第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管概述概述3.1 mos 場效應(yīng)管場效應(yīng)管3.2 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管3.3 場效管應(yīng)用原理場效管應(yīng)用原理概概 述述場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造它體積小、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。大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別：場效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別： 場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。 場效應(yīng)管是單極型器件場效應(yīng)管是單極型器件( (三極管是雙極型器件三極管是

2、雙極型器件) )。場效應(yīng)管分類：場效應(yīng)管分類：mos 場效應(yīng)場效應(yīng)管管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管3.1mos 場效應(yīng)管場效應(yīng)管p 溝道溝道( (pmos) ) n 溝道溝道( (nmos) ) p 溝道溝道( (pmos) ) n 溝道溝道( (nmos) ) mosfet增強(qiáng)型增強(qiáng)型( (emos) ) 耗盡型耗盡型( (dmos) ) n 溝道溝道 mos 管與管與 p 溝道溝道 mos 管工作原理相似，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(zhì)不同，因此不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。導(dǎo)致加在各極上的電

3、壓極性相反。 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管n+n+p+p+pusgd3.1.1增強(qiáng)型增強(qiáng)型 mos 場效應(yīng)管場效應(yīng)管q n 溝道溝道 emosfet 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 sio2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極p 型硅型硅 襯底襯底sgud電路符號電路符號l溝道長度溝道長度w溝道溝道寬度寬度第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 n 溝道溝道 emos 管管外部工作條件外部工作條件 vds 0 ( (保證柵漏保證柵漏 pn 結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 u 接電路最低電位或與接電路最低電位或與 s 極相連極相連( (保證源襯保證源襯 pn 結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 vgs 0 ( (形

4、成導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道) )pp+n+n+sgduvds- + - + - +- + vgsq n溝道溝道 emos 管管工作原理工作原理柵柵-襯之間襯之間相當(dāng)于相當(dāng)于以以 sio2 為介質(zhì)的為介質(zhì)的平板電容器。平板電容器。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 n 溝道溝道 emosfet 溝道形成原理溝道形成原理 假設(shè)假設(shè) vds = 0，討論，討論 vgs 作用作用pp+n+n+sgduvds = 0- + - + vgs形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)并與并與 pn 結(jié)相通結(jié)相通vgs 襯底表面層中襯底表面層中負(fù)離子負(fù)離子 、電子、電子 vgs 開啟電壓開啟電壓vgs(th)形成形成 n 型導(dǎo)電溝

5、道型導(dǎo)電溝道表面層表面層 npvgs 越大，反型層中越大，反型層中 n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層反型層第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 vds 對溝道的控制對溝道的控制( (假設(shè)假設(shè) vgs vgs(th) 且保持不變且保持不變) ) vds 很小時很小時 vgd vgs 。此時。此時 w 近似不變，即近似不變，即 ron 不變。不變。由圖由圖vgd = vgs - - vds因此因此 vds id 線性線性 。 若若 vds 則則 vgd 近漏端溝道近漏端溝道w ron增大增大。此時此時 ron id 變慢。變慢。pp+n+n+sgduvds- + - + vgs- +

6、- + pp+n+n+sgduvds- + - + vgs- + - + 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 當(dāng)當(dāng) vds 增加到增加到使使 vgd = vgs(th) 時時 a 點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若若 vds 繼續(xù)繼續(xù) a 點(diǎn)左移點(diǎn)左移 出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 vas = vag + vgs = - -vgs(th) + vgs ( (恒定恒定) )若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為 l 不變不變( (即即 ron不變不變) )。因此預(yù)夾斷后：因此預(yù)夾斷后：pp+n+n+sgduvds- + - + vgs- + - + app+n+n+sgduv

7、ds- + - + vgs- + - + avds id 基本維持不變?；揪S持不變。 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則則 vds 溝道長度溝道長度 l 溝道電阻溝道電阻 ron略略 。因此因此 vds id 略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出 id 隨隨 vds 變化的關(guān)系曲線：變化的關(guān)系曲線：idvdsovgs vgs(th)vgs一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 mos 管僅依靠一種載流子管僅依靠一種載流子( (多子多子) )導(dǎo)電導(dǎo)電，故稱，故稱單極單極型器件。型器件。

8、三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。雙極型器件。利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，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，控制漏極電流寬窄，控制漏極電流 id 。mosfet 工作原理：工作原理：第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管由于由于 mos 管柵極電管柵極電流為零，故不討論輸入特流為零，故不討論輸入特性曲線。性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：id = f ( vgs )vds = 常數(shù)常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：id = f (

9、 vds )vgs = 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+tvdsig 0vgsid+- - -轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 nemos 管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：id 同時受同時受 vgs 與與 vds 的控制。的控制。當(dāng)當(dāng) vgs為常數(shù)時，為常數(shù)時，vdsid 近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； 當(dāng)當(dāng) vds為常數(shù)時，為常數(shù)時，vgs id ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。，表現(xiàn)出一

10、種壓控電阻的特性。 溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：vgs vgs(th) v ds vgs(th) v ds vgs vgs(th)考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨 vds 的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)注意：飽和區(qū)( (又稱有源區(qū)又稱有源區(qū)) )對應(yīng)對應(yīng)三極管的放大區(qū)。三極管的放大區(qū)。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則 id 的修正方程：的修正方程： 工作在飽和區(qū)時，工作在飽和區(qū)時，mos 管的正向受控作用，服從管的正向受控作用，服從

11、平方律關(guān)系式：平方律關(guān)系式：2gs(th)gsoxnd)(2vvlwci ads2gs(th)gsoxnd1)(2vvvvlwci ds2gs(th)gsoxn1)(2vvvlwc 其中，其中， 稱稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關(guān)。有關(guān)。通常通常 = (0.005 0.03 )v- -1第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q 截止區(qū)截止區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：相當(dāng)于相當(dāng)于 mos 管三個電極斷開。管三個電極斷開。 id/mavds /vovds = vgs vgs(th)vgs = 5 v3.5 v4 v4.5 v溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件：vgs vgs(

12、th) id = 0 以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。ig 0，id 0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) vds 增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯 pn 結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 id 劇增。劇增。 vds 溝道溝道 l 對于對于 l 較小的較小的 mos 管管 穿通擊穿。穿通擊穿。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管由于由于 mos 管管 cox 很小，因此當(dāng)帶電物體很小，因此當(dāng)帶電物體(或人或人)靠近靠近金屬柵極時，感生電荷在金屬柵極時，感生電荷在 sio2 絕緣層中將產(chǎn)生很大的電絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓壓 vgs(= q /cox)，使，使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，造成 mos 管永久性損管永久性損壞壞。m

13、os 管保護(hù)措施：管保護(hù)措施：分立的分立的 mos 管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。mos 集成電路：集成電路：td2d1d1、d2 一方面限制一方面限制 vgs 間間最大電壓，同時對感最大電壓，同時對感 生電生電荷起旁路作用。荷起旁路作用。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 nemos 管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線vgs(th) = 3vvds = 5 v轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映 vds 為常數(shù)時，為常數(shù)時，vgs 對對 id 的控制的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。 id/mavds /vovds = vgs vgs(th)v

14、gs = 5 v3.5 v4 v4.5 vvds = 5 vid/mavgs /vo12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，轉(zhuǎn)移特性曲線中，id = 0 時對應(yīng)的時對應(yīng)的 vgs 值，即開啟值，即開啟電壓電壓 vgs(th) 。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q 襯底效應(yīng)襯底效應(yīng)集成電路中，許多集成電路中，許多 mos 管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證 u 與與 s、d 之間之間 pn 結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位( (n 溝道溝道) )或最高或最高電位電位( (p 溝道溝道) )。 若若| vus | - - +vus耗盡層中負(fù)離子數(shù)耗盡層中負(fù)離子數(shù) 因因 vgs

15、 不變不變( (g 極正電荷量不變極正電荷量不變) )id vus = 0id/mavgs /vo- -2v- -4v根據(jù)襯底電壓對根據(jù)襯底電壓對 id 的控制作用，又稱的控制作用，又稱 u 極為極為背柵極。背柵極。pp+n+n+sgduvdsvgs- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層中電子電子數(shù)數(shù) 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q p 溝道溝道 emos 管管+ -+ - vgsvds+ - + - nn+p+sgdup+n 溝道溝道 emos 管與管與 p 溝道溝道 emos 管工作原理相似。管工作原理相似。即即 vds 0 、vgs 0，vgs 正、負(fù)、零均可。正、負(fù)

16、、零均可。外部工作條件：外部工作條件：dmos 管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的 id 表達(dá)式表達(dá)式與與 emos管管 相同相同。pdmos 與與 ndmos 的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管3.1.3四種四種 mos 場效應(yīng)管比較場效應(yīng)管比較q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向sgudidsgudidusgdidsgudidnemosndmospdmospemosq 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性idvgsovgs(th)idvgsovgs(th)idvgsovgs(th)idvgsovgs(th)第第 3 章場效應(yīng)管章

17、場效應(yīng)管q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型 vds 極性取決于溝道類型極性取決于溝道類型n 溝道：溝道：vds 0， p 溝道：溝道：vds |vgs(th) |，|vds | | vgs vgs(th) |vgs| |vgs(th) | ，q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )工作條件工作條件|vds | |vgs(th) |，q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)( (可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)) )數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型dsgs(th)gsoxnd)(vvvlwci 第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q fet 直流簡化電路模型直流簡化電路模型( (與三極管相對照與三極

18、管相對照) ) 場效應(yīng)管場效應(yīng)管 g、s 之間開路之間開路 ，ig 0。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為 vbe(on) 。 fet 輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足 ic = ib 。2gs(th)gsoxd)(2vvlwci sgdidvgssdgidig 0id(vgs )+- -vbe(on)ecbicibib +- -第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管3.1.4小信號電路模型小信號電路模型q mos 管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路

19、模型( (與三極管對照與三極管對照) ) gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- - rds 為為場效應(yīng)管場效應(yīng)管輸出電阻：輸出電阻： 由于場效應(yīng)管由于場效應(yīng)管 ig 0，所以輸入電阻，所以輸入電阻 rgs 。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻故輸入電阻 rb e 較小。較小。與三極管與三極管輸出電阻表達(dá)式輸出電阻表達(dá)式 rce 1/( icq) 相似。相似。)/(1dqdsir rb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管（ 溝道長度調(diào)制系數(shù)，溝道長度調(diào)制系數(shù)， =1/|va|） mos 管跨導(dǎo)管跨導(dǎo)qgsdmvi

20、g 2gs(th)gsoxd)(2 vvlwci 利利用用dqoxqgsdm22 ilwcvig 得得cqeqebcm5 .38 irvig 三三極極管管跨跨導(dǎo)導(dǎo)通常通常 mos 管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即量級以上，即 mos 管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q 計及襯底效應(yīng)的計及襯底效應(yīng)的 mos 管簡化電路模型管簡化電路模型（襯底與源極（襯底與源極不相連）不相連）考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓 vus 對漏極電流對漏極電流 id 的控制作用，小信的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源號等效電

21、路中需增加一個壓控電流源 gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu 稱背柵跨導(dǎo)，稱背柵跨導(dǎo)，工程上工程上mqusdmugvig 為常數(shù)，為常數(shù)，一般一般 = 0.1 0.2。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q mos 管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型當(dāng)高頻應(yīng)用、需考慮管子極間電容影響時，應(yīng)采用當(dāng)高頻應(yīng)用、需考慮管子極間電容影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -cdscgdcgs柵源極間柵源極間平板電容平板電容漏源極間電容漏源極間電容( (漏襯與源漏襯與源襯之間的勢壘電容襯之

22、間的勢壘電容) )柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用似，可以采用估算法估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采用分析電路直流工作點(diǎn)；采用小信小信號等效電路法號等效電路法分析電路動態(tài)指標(biāo)。分析電路動態(tài)指標(biāo)。3.1.5mos 管電路分析方法管電路分析方法場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由場效應(yīng)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(yīng)管電路時，一定要顯差異。因此用估

23、算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點(diǎn)。注意自身特點(diǎn)。q 估算法估算法第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管 mos 管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定 mos 管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非飽和模式非飽和模式( (需重新需重新計算計算 q 點(diǎn)點(diǎn)) )n 溝道管：溝道管：vgs vgs(th)截止條件截止條件 非飽和與飽和非飽和與飽和( (放大放大) )模式判斷方法模式判斷方法a) )由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路 vgs與與 id 之間關(guān)系式。之間關(guān)系式。c) )聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d) )判斷電路工

24、作模式：判斷電路工作模式：若若 |vds| |vgsvgs(th)| 若若 |vds| vgsvgs(th) ，vgs vgs(th)，假設(shè)成立。假設(shè)成立。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q 小信號等效電路法小信號等效電路法場效應(yīng)管小信號等效電路分析法與三極管相似。場效應(yīng)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(biāo)。利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。 畫交流通路；畫交流通路； 將將 fet 用小信號電路模型代替；用小信號電路模型代替； 計算微變參數(shù)計算微變參數(shù) gm、rds；注：具體分析將在第注：具體分析將在第 4 章中詳細(xì)介紹。章中詳細(xì)介紹。第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管3.2結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管q jfet 結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號sgdsgdp+p+ngsdn 溝道溝道 jfetp 溝道溝道 jfetn+n+pgsd第第 3 章場效應(yīng)管章場效應(yīng)管q n溝道溝道 jfet 管管外部工作條件外部工作條件 vds 0 ( (保證柵漏保證柵漏 pn 結(jié)反偏結(jié)反偏) )vgs vgs(off)v ds vgs(off)v ds vgsvgs(off)在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，jfet 的的 id 與與 vgs 之間也滿足平方律關(guān)之間也滿足平方律關(guān)系，但由于系，但由于