MOS管(新)總結(jié)

1、第五章第五章 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路 場效應(yīng)管場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道溝道器件和空穴作為載流子的P溝道溝道器件。場效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道 MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管）場效應(yīng)管金屬氧化物場效應(yīng)管金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET( Metal OxideMOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)Semiconductor FET) 又稱絕緣柵型場效應(yīng)管，絕

2、緣柵型場效應(yīng)管，它是一種利用半導(dǎo)體表面電場效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下iD。1. 1. 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號 N溝道增強型溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個電極作為GD(Drain): 漏極，漏極， 相當(dāng)相當(dāng)c G(Gate): 柵極，柵極，

3、 相當(dāng)相當(dāng)b S(Source): 源極，相當(dāng)源極，相當(dāng)eB(Substrate):襯底襯底5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET2. 工作原理工作原理(a)(a)V VGSGS=0=0時時，無導(dǎo)電溝道，無導(dǎo)電溝道 漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。 VGS =0， ID =0 VGS必須大于必須大于0 管子才能工作。管子才能工作。（1）柵源電壓）柵源電壓VGS的控制作用的控制作用 （b） 0VGS VT （ VT 稱為開稱為開 啟電壓啟電壓) 在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個垂直于導(dǎo)體表面的電場，排斥P區(qū)多

4、子空穴而吸引少子電子。 但由于電場強度有限，吸引到絕緣層的少子電子數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0VGSVT ， ID=0(c) VGSVT時時此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成N溝道。如果此時VDS0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，ID增加。這種在VGS =0時沒有導(dǎo)電溝道，依靠柵源電壓的作用而形成感生溝道的FET稱為增強型增強型FETVGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道V

5、GS 反型層變厚反型層變厚 VDS ID （2 2）漏源電壓）漏源電壓V VDSDS對漏極電流對漏極電流I ID D的控制作用的控制作用（a a）如果）如果V VGSGSV VT T且固定為某一值，且固定為某一值， V VGDGD= =V VGSGSV VDSDS V VDSDS為為0 0或較小時，或較小時， VGD=VGSVDS VT，溝道分布如 圖，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。VDS ID （b）當(dāng)）當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VT時時溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）

6、漏源電壓）漏源電壓VDS對漏極電流對漏極電流ID的控制作用的控制作用（2 2）漏源電壓）漏源電壓V VDSDS對漏極電流對漏極電流I ID D的控制作用的控制作用VDS ID 不變不變（c）當(dāng)VDS增加到VGDVT時溝道如圖所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，向S極延伸。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變3.輸出特性曲線輸出特性曲線 vDS /V iD(1) (1) 截止區(qū)（夾斷區(qū)）截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS |VP |時的漏 極電流。（耗盡）4、極間電容 ：漏源電容CDS約為 0.11pF，柵源電容CGS和柵 漏極電容CGD約為13pF。一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)場效應(yīng)管的

7、主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)GSDSdsDSvdvrdi常數(shù) 2、 低頻互導(dǎo) gm ：表示vGS對iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm 是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為 S 或 mS。二、交流參數(shù)二、交流參數(shù)1、輸出電阻不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時為0考慮時為1GSDSdsDSDvdvrdii常數(shù)1、 最大漏極電流 IDM 2、 最大漏極耗散功率 PDM 3、 最大漏源電壓 V(BR)DS 最大柵源電壓 V(BR)GS 2() 2()DSDSnGSTDmnGSTGSGSvvKvVdigKvVdvvmg2()DnGSTiKvV由V-I特性估算 2DO

8、nTIK V22mn DDO DTgK iIiV因為則三、極限參數(shù)三、極限參數(shù)場效應(yīng)三極管的型號場效應(yīng)三極管的型號 場效應(yīng)三極管的型號, 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表 參 數(shù) 型號 PDM mW IDSS mA VR

9、DS V VRGS V VP V gm mA/ V fM MHz 3DJ2D 100 20 20 -4 2 300 3DJ7E 100 20 20 -4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 5.2 MOSFET放大電路放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2. 圖解分析圖解分析3. 小信號模型分析小信號模型分析5.2.1 簡單共源極放大電路的直流分析簡單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDR

10、dRg1Rg2idCb2v0viCb2步驟步驟直流通路直流通路VGIDVS5.2 MOSFET放大電路放大電路1 假設(shè)假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有管工作于飽和區(qū)，則有 VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT2 利用飽和區(qū)的利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：曲線分析電路：2()DnGSTIK VV3 如果出現(xiàn)如果出現(xiàn)VGSVT，則，則MOS管可能截至，如果管可能截至，如果 VDSVGS-VT，則說明，則說明NMOS確工作于飽確工作于飽和區(qū)；若和區(qū)；若VDS (VGS-VT)=2-1=1V說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。28gdsBVDDRd

11、Rg1Rg2idCb2v0viCb2靜態(tài)值：靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號電壓波形：外加信號電壓波形：tvi因為：因為：vGS=VGSQ+vi所以所以vGS的波形為的波形為：iD=IDQ+gmvitvGSVGSQVGSQ1VGSQ20tiD IDQ IDQ1 IDQ20負(fù)載線方程：負(fù)載線方程：iD=- +VDDvDSRdRd是一條過是一條過(VDD,0)和和(0,VDD/RD)的直線的直線5.2.3 NMOS共源極放大電路的圖解分析共源極放大電路的圖解分析5.2 MOSFET放大電路放大電路29vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQ

12、vDSttVDSQ5.2.3 NMOS共源極放大電路的圖解分析共源極放大電路的圖解分析5.2 MOSFET放大電路放大電路301.NMOS管的管的小小信號模型信號模型雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid工作在飽和區(qū)的工作在飽和區(qū)的漏極電流漏極電流iD:2DnGSTiKvV22nGSQgsTnGSQTgsKVvVKVVv222gsnGSQTnGSQTgsnKVVKVVvK vIDQidgmvgs諧波分量越小越諧波分量越小越好，一般取為好，一般取為0。ig0,輸入端相當(dāng)于開路；輸入端相當(dāng)于開路；idgmvgs，輸出回路等效成一個電壓控制電流源。，輸出回路等效成一個電壓控制電流源。gm=2

13、Kn(VGSQ-VT)5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路31場效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：場效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：),(=DSGSDvvfiDSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分求全微分:dsVDSDrviGS1漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大mVGSDgviDS其中：其中：為低頻跨導(dǎo)為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率點的斜率5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.

14、2 MOSFET放大電路放大電路雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidDSdsGSmDdvrdvgdi11dmgsdsdsig vvr變化量變化量由該式可得到場效應(yīng)管的微變等效電路由該式可得到場效應(yīng)管的微變等效電路1.NMOS管的管的小小信號模型信號模型32漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大為低頻跨導(dǎo)為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點的斜率點的斜率5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路雙端口雙端口 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsv

15、dsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因因rds很大，可忽略，很大，可忽略，得簡化小信號模型得簡化小信號模型:可得到場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路可得到場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路1dmgsdsdsig vvr1.NMOS管的管的小小信號模型信號模型335.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路：小信號模型：小信號模型：rds

16、gsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd345.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路：小信號模型：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)0(/)mgsdsdvigsmdg vrRvAvvg R (2)輸入電阻輸入電阻 Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻 R0=Rd35gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0

17、viCb2R 首先將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路： 小信號模型：小信號模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4 NMOS共源極放大電路的小信號模型共源極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路2. 場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)01mgsdvigsmgsmdmg v RvAvvg v Rg Rg R (2)輸入電阻輸入電阻 Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻R0=Rd36gdsBVDDRdRg1Rg2idviCb2Cb2v0Cb2v0R 首先

18、將電容、電源短路得首先將電容、電源短路得到交流通路：到交流通路： 小信號模型：小信號模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)0(/ )(/ )m gsdsvigsm gsdsg vrRvAvvg vrR取取rds為無窮時：為無窮時：(/ )1(/ )mdsmdsgrRgrR1mmg Rg R(2)輸入電阻輸入電阻Ri=Rg1/Rg2(3)輸出電阻輸出電阻R0=R/rds/gm1推推 導(dǎo)導(dǎo)5.2.5 NMOS共漏極放大電路的小信號模型共漏極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電

19、路37dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻輸出電阻R0的計算：的計算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR +ir -gmvgsTTTmTdsvvig vRr11/11TdsTmmdsvRriggRr5.2.5 NMOS共漏極放大電路的小信號模型共漏極放大電路的小信號模型5.2 MOSFET放大電路放大電路38例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解解.21240526040gGSQDDggRVVVRR若管子工作在飽和區(qū)，則

20、若管子工作在飽和區(qū)，則2()DQnGSTIKVV=0.2(2-1)2=0.2mA(50.2 15)2DSQDDDdVVI RV可見可見:2 11DSQGSQTVVVV 說明管子工作在飽和區(qū)說明管子工作在飽和區(qū).39(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT) =20.2 (2-1)=0.4mS150.432vmLAg R (2)輸入電阻輸入電阻Ri=Rg1/Rg2=60/40=24K(3)輸出電阻輸出電阻R0=Rd=15K+-vi例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計算計算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R

21、0。解解.40模型模型5. 3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管(Junction type Field Effect Transister) 5.3.1 5.3.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號 結(jié)型場效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時柵極電流方向?；蛘珪r柵極電流方向。5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理ID（1）VGS對導(dǎo)電溝道的影響：

22、VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結(jié)型場效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管只能工作在負(fù)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。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作原理：溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作原理：(c) |VGS | = VP ，導(dǎo)電溝道被全夾斷(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |時的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDVvIi 當(dāng)|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對iD的影響很小。實驗證明，當(dāng)|vGS - vDS | | V

23、P | 時，iD可近似表示為：輸出特性曲線CVDSDGSVfi)(恒流恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點:(1)受控性： 輸入電壓vGS控制輸出電流21VvIiPGSDSSD(2)恒流性：輸出電流iD 基本上不受輸出電壓vDS的影響。用途:可做放大器和恒流源。條件:(1)源端溝道未夾斷 (2)源端溝道予夾斷 VVPGSVVVPGSDS可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)特點特點: :(1)(1)當(dāng)vGS 為定值時,iD 是 vDS 的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受 vGS 控制。 （2）管壓降vDS 很小。用途：用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷 VVPGSVVVPGSDS夾斷區(qū)夾斷區(qū) 用途：做無觸點的、接通狀態(tài) 的電子開關(guān)。條件：整個溝道都夾斷 VVPGS0iD特點：轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線C