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(xué)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(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別：

場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。

場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件(三極管是雙極型器件)。場(chǎng)效應(yīng)管分類：MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管第3章場(chǎng)效應(yīng)管3.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道(PMOS)

N溝道(NMOS)

P溝道(PMOS)N溝道(NMOS)MOSFET增強(qiáng)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(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

VDS

對(duì)溝道的控制(假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變)

VDS

很小時(shí)→VGD

VGS。此時(shí)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(shí)Ron

→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)VDS

增加到使VGD=VGS(th)

時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷若VDS

繼續(xù)

→A點(diǎn)左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定)若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l不變(即Ron不變)。因此預(yù)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(chǎng)效應(yīng)管若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則VDS→溝道長(zhǎng)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(guān)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(chǎng)效應(yīng)管

MOS管僅依靠一種載流子(多子)導(dǎo)電，故稱單極型器件。三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)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寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：第3章場(chǎng)效應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：

伏安特性+TVDSIG

0VGSID+--轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDS

ID近似線性

，表現(xiàn)為一種電阻特性；當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGS

ID

，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V數(shù)學(xué)模型：此時(shí)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(shí)，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中，W、l為溝道的寬度和長(zhǎng)度。COX

(=

/

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

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，表現(xiàn)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(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，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(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。第3章場(chǎng)效應(yīng)管數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：其中，

稱溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，其值與l有關(guān)。通常

=(0.005~0.03)V-1第3章場(chǎng)效應(yīng)管截止區(qū)特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時(shí)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(shí)

漏襯PN結(jié)雪崩擊穿

ID劇增。

VDS

溝道l

對(duì)于l較小的MOS管

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

絕緣層中將產(chǎn)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(hù)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(shí)對(duì)感生電荷起旁路作用。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)=3VVDS

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

=5VID/mAVGS/VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，ID=0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值，即開啟電壓VGS(th)。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

襯底效應(yīng)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(jié)反偏，襯底應(yīng)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(fù)離子數(shù)

因VGS

不變(G極正電荷量不變)

ID

VUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓對(duì)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(shù)

第3章場(chǎng)效應(yīng)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(hào)中的箭頭方向相反。SGUDID第3章場(chǎng)效應(yīng)管3.1.2耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已存在對(duì)比增強(qiáng)型？溝道線是實(shí)線第3章場(chǎng)效應(yīng)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(fù)、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(dá)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(chǎng)效應(yīng)管3.1.3四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第3章場(chǎng)效應(yīng)管

飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極性及數(shù)學(xué)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(qiáng)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(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān)第3章場(chǎng)效應(yīng)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(shù)學(xué)模型第3章場(chǎng)效應(yīng)管

FET直流簡(jiǎn)化電路模型(與三極管相對(duì)照)

場(chǎng)效應(yīng)管G、S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(chǎng)效應(yīng)管3.1.4小信號(hào)電路模型

MOS管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型(與三極管對(duì)照)

gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-

rds

為場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：

由于場(chǎng)效應(yīng)管IG

0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rb

e較小。與三極管輸出電阻表達(dá)式rce1/(ICQ)相似。rb

ercebceibic+--+vbevcegmvbe第3章場(chǎng)效應(yīng)管（

——溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，

=－1/|VA|）

MOS管跨導(dǎo)通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即MOS管放大能力比三極管弱。第3章場(chǎng)效應(yīng)管計(jì)及襯底效應(yīng)的MOS管簡(jiǎn)化電路模型（襯底與源極不相連）考慮到襯底電壓vus對(duì)漏極電流id的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上

為常數(shù)，一般

=0.1~0.2。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

MOS管高頻小信號(hào)電路模型當(dāng)高頻應(yīng)用、需考慮管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)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(shì)壘電容)柵漏極間平板電容第3章場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采用小信號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.5MOS管電路分析方法場(chǎng)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顯差異。因此用估算法分析場(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一定要注意自身特點(diǎn)。估算法第3章場(chǎng)效應(yīng)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(jì)算Q點(diǎn))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(guān)系式。c)聯(lián)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(shù)學(xué)模型：第3章場(chǎng)效應(yīng)管例1已知

nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假設(shè)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(yàn)證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設(shè)成立。第3章場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路法場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)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)。畫交流通路；將FET用小信號(hào)電路模型代替；計(jì)算微變參數(shù)gm、rds；注：具體分析將在第4章中詳細(xì)介紹。第3章場(chǎng)效應(yīng)管3.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第3章場(chǎng)效應(yīng)管

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

+

VGSVDS+-第3章場(chǎng)效應(yīng)管

VGS

對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管

VDS

很小時(shí)→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(shí)Ron→ID變慢

VDS

對(duì)溝道的控制(假設(shè)VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時(shí)W近似不變即Ron

不變第3章場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)VDS

增加到使VGD=VGS(off)

時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷若VDS

繼續(xù)→A點(diǎn)下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG

+VGS

=-VGS(off)+VGS(恒定)若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l不變(即Ron不變)。因此預(yù)夾斷后：VDS→ID基本維持不變。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第3章場(chǎng)效應(yīng)管利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)控制電流，不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同。第3章場(chǎng)效應(yīng)管

NJFET輸出特性非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點(diǎn)：ID同時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管飽和區(qū)(放大區(qū))特點(diǎn)：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)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(guān)系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。第3章場(chǎng)效應(yīng)管截止區(qū)特點(diǎn)：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(shí)近漏極PN結(jié)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(fù)則VGD

越負(fù)相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS

越小第3章場(chǎng)效應(yīng)管

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

ID=0時(shí)對(duì)應(yīng)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(shí)對(duì)應(yīng)的ID值

飽和漏電流IDSS。第3章場(chǎng)效應(yīng)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(shù)學(xué)模型不同，因此，跨導(dǎo)計(jì)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(hào)模型)利用得第3章場(chǎng)效應(yīng)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(dú)記憶較困難，現(xiàn)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(qiáng)型：VGS與VDS極性相同。耗盡型：VGS取值任意。MOSFET管第3章場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管與三極管性能比較項(xiàng)目

器件電極名稱工作區(qū)導(dǎo)電類型輸入電阻跨導(dǎo)三極管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小大場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管

N溝道EMOS管GD相連

構(gòu)成有源電阻3.3.1有源電阻3.3場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用原理v=vDS=vGS，i=iD由圖知滿足vDS

>

vGS–vGS(th)因此當(dāng)vGS>vGS(th)時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管

N溝道DMOS管GS相連

構(gòu)成有源電阻v=vDS，vGS=0

，i=iD由圖因此，當(dāng)vDS

>

0–vGS(th)時(shí)，管子工作在飽和區(qū)。伏安特性即vGS

=0

時(shí)的輸出特性。由得知當(dāng)vGS

=0

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

構(gòu)成分壓器若兩管

n、

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

V2=

VDDV1+

V2=

VDD調(diào)整溝道寬長(zhǎng)比(W/l)，可得所需的分壓值。第3章場(chǎng)效應(yīng)管第32周平均數(shù)問題專題簡(jiǎn)析：在日常生活中，我們會(huì)遇到下面的問題：有幾個(gè)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(jìn)水少的杯子里，反復(fù)幾次，直到幾個(gè)杯子里的水一樣多。這就是我們所講的“移多補(bǔ)少”，通常稱之為平均數(shù)問題。解答平均數(shù)應(yīng)用題關(guān)鍵是要求出總數(shù)量和總份數(shù)，然后再根據(jù)“總數(shù)量÷總份數(shù)=平均數(shù)”這個(gè)數(shù)量關(guān)系式來解答。用4個(gè)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(gè)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(cè)試語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)成績(jī)分別是92分、96分、94分。這三門功課的平均成績(jī)是多少分？舉一反三1：2、某工廠有四個(gè)車間，每個(gè)車間分別有工人260人、300人、280人、312人。平均每個(gè)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(gè)小朋友做了多少朵？王牌例題2：

（7＋9＋12）÷4=7朵1、一個(gè)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