模电课件_电子科大李朝海1.4

O
uDS
在预夹断处: uGD= UGS(th ) GS(th) uGD=uGS-uDS = UGS(th ) GS(th) 有：uDS=uGS- UGS(th ) GS(th)
一、N沟道增强型MOS管
1、 工作原理
当uGS为大于等于UGS(th )的某个确 GS(th) 定值， 分析iD 与uDS的关系。 � 当继续增加uDS 时……
N+ B
A N+
P 衬底（B）
O
uDS
形成了曲线 的线性段(OH段), 这段称为电阻区
�形成一个非均匀的导电沟道 �uDS 较小时, uDS的增大使iD 基本线性增大。
一、N沟道增强型MOS管
1、 工作原理
当uGS为大于等于UGS(th )的某个确 GS(th) 定值， 分析iD 与uDS的关系。 � 当继续增加uDS 时…… S
2、特性曲线与电流方程 � 输出特性 iD = f (uDS ) u = const.
当uGS> UGS(th ) 时，不同的 GS(th) uGS对应不同的特性曲线。
GS
S
uGS
G
uDS
D
N+ B
A N+
P 衬底（B）
iD
H
uGS4 uGS3 uGS2 增大 uGS1 uGS<UGS(th ) GS(th)
衬底（B）
S
uGS
N+
G
D
N+ P
� 形成自上而下（指向P型衬底，且垂直衬底表面）的电 场； � 电场随电压的增大而加强。
一、N沟道增强型MOS管
� uGS对沟道的控制作用 � 形成自上而下的电场 � 在电场的作用下， P区中 的多子（空穴）向衬底下部 移动； � 在P型衬底表面形成一层 耗尽层（负离子）;
S
uGS
G
uDS
D
N+ B
A N+
P 衬底（B）
iD
工作在放大区的条件:
O
uDS(sat ) DS(sat) uDS(sat )=uGS- UGS(th ) DS(sat) GS(th)
uDS
uGS ≥ U GS(th) > 0
uDS>uGS- UGS(th ) GS(th)
一、N沟道增强型MOS管
GS
也可以分为三个区：
夹断区：
uGS<UGS(th ) GS(th)
iD
H
uGS4 uGS3 uGS2 增大 uGS1 uGS<UGS(th ) GS(th)
可变电阻区：uGS>UGS(th ) GS(th) uDS<uGS- UGS(th ) GS(th) 放大区（饱和区、恒流区）： uGS>UGS(th ) GS(th)
S S �虚线表示沟道在施加外电压后才形成－增强型 �实线表示沟道在施加外电压前就存在－耗尽型 N沟道耗尽型 G S 箭头朝里表示N沟道 D P沟道耗尽型 G S 箭头朝外表示P沟道 D
一、N沟道增强型MOS管
1、 工作原理
� 未加电压时，在漏极和 源极之间等效两个PN结。 � 即使施加电压uDS，它们 之间也不会产生电流。 ① uGS对沟道的控制作用 � 在栅极和源极（衬底）之 间施加的电压uGS>0；
1、 工作原理
S
N+
uGS
G
uDS
D
N+ P
衬底（B）
一、N沟道增强型MOS管
1、 工作原理
当uGS为大于等于UGS(th )的某个确 GS(th) 定值， 分析iD 与uDS的关系。 S
uGS
G
uDS
D
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
iD
H
电位梯度从漏极至源 电位梯度从漏极至源 极不断沿着 极不断沿着N 沟道减 N沟道减 少，造成了靠近Ｄ端 少，造成了靠近Ｄ端 的沟道变薄。 的沟道变薄。
1.4.1 结型场效应管
结构（以N沟道JFET为例） rain) d (D (Drain)
FET名词：
� 沟道：d到s之间的电 流通道。
g ate) (G (Gate) P N P
� 沟道电流：d到s之间 流动的电流，又称漏极 iS。 电流iD ；iD = =i � 沟道电阻：d和s之间 呈现的等效电阻。
uGS
G
uDS
D
N+ B
A N+
P 衬底（B）
iD
H
预夹断
当 增加到uGD u = UGS(th )) DS GS(th) 当 u DS增加到u GD= U GS(th GS(th) 时；靠近Ｄ端的反型层 时；靠近Ｄ端的反型层 消失，沟道被夹断（预 消失，沟道被夹断（预 夹断）。 夹断）。
uDS(sat ) DS(sat) 夹断方程：uDS(sat )=uGS- UGS(th ) DS(sat) GS(th)
uGS iD D
N
H A
uDS
P
B
P
S
1.4.1 结型场效应管
uGD>UGS（off） uGD＝UGS（off）
预夹断
uGD<UGS（off）
uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。 VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的 电阻，iD几乎不变，进入恒流区， iD几乎 仅仅决定于uGS。
� JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG≈0， 输入电阻很高； � JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制； � 预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于 饱和。
1.4.1 结型场效应管
2、JFET的特性曲线及参数 iD = f (uDS ) u � 输出特性
预夹断: uGD=uGS-uDS =UGS(off ) GS(off)
IDSS
iD
H
uGS=0
uDS
工作在恒流区的条件:
U GS(off) < uGS < 0
uDS>uGS-UGS(off ) GS(off)
1.4.1 结型场效应管
1、工作原理（以N沟道JFET为例）
� 低频跨导 gm 反映了vgs对id的控制能力，是衡量FET放大信号能 力的一个重要参数。
diD id ∆iD = = 定义： g m = ugs ∆uGS duGS 综上分析可知：
1.4 场效应管
� 从参与导电的载流子来划分，FET有自由电子导电的 N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。 � 沟道在施加外电压后才形成－增强型 � 沟道在施加外电压前就存在－耗尽型 N沟道 JFET 结型场效应管 Junction FET FET MOSFET 金属氧化物半导体场效应管
Metal Oxide Semiconductor FET ，
�电路符号： N沟道 D G S G S
衬底（B）
S P沟道 D
N+
G
D
SiO2 N+ P
�结构上从上到下： Metal-Oxide-Semiconductor, 故称为MOSFET �栅极和其它两个电极绝缘，故称为绝缘栅极
1.4.2 绝缘栅型场效应管
一、N沟道增强型MOS管
N沟道增强型 G D P沟道增强型 G D
O
uDS(sat ) DS(sat) uDS(sat )=uGS- UGS(th ) DS(sat) GS(th)
uDS
uGS越大,反型层越厚，沟道 的导电能力就越强。在相同 uDS作用下，产生的漏源电流 就越大。
一、N沟道增强型MOS管
2、特性曲线与电流方程 � 输出特性 iD = f (uDS ) u = const.
1.4 场效应管
场效应管：Field Effect Transistor， FET
� 是继三极管之后发展起来的另一类具有放大作用的半导 体器件； � FET特点： 输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、…… 场效应管有三个极：源极 （s）、栅极（g）、漏极（d）， 对应于晶体管的e、b、c；有三个 工作区域：截止区、恒流区、可 变电阻区，对应于晶体管的截止 区、放大区、饱和区。
一、N沟道增强型MOS管
1、 工作原理
当uGS为大于等于UGS(th )的某个确 GS(th) 定值，分析iD 与uDS的关系。 在uDS>uGS- UGS(th )时，每一 GS(th) 个uGS 对应有一个iD。
H C
这个 这个区域称为恒流区、 区域称为恒流区、 放大区、 饱和区。 放大区、饱和区。
O
VDS(sat ) DS(sat) uDS(sat )=uGS- UGS(th ) DS(sat) GS(th)
uDS
uDS>uGS- UGS(th ) GS(th)
一、N沟道增强型MOS管
2、特性曲线与电流方程 � 转移特性 iD = f (uGS ) u = const.
S
1.4.1 结型场效应管
1.4.1 结型场效应管
1、工作原理（以N沟道JFET为例）
② 当uGS 固定，uDS对漏极电流的影响 当uGS=0时， uDS↑ → iD ↑ � 形成一个非均匀的导电沟道 。 � 当uDS ↑到使uGD= UGS(off ) GS(off) G 时，在紧靠漏极处出现预 夹断。 �此时uDS ↑ → 夹断长 度略有增加，称为部分 夹断。 → iD基本不变
ource ) s (S (Source ource)
1.4.1 结型场效应管
1、工作原理（以N沟道JFET为例）
① 当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用 当uGS＜0时， PN结反偏 → 耗尽层加宽 → 沟道变窄。 uGS继续减小，沟道继续变窄； G 当沟道全夹断时，对应的 栅源电压uGS称为夹断电压 UGS(off )。 GS(off) uGS 对于N沟道的JFET： UGS(off ) <0 GS(off) 沟道存在的条件： UGS(off ) ＜ uGS＜0 GS(off) D N P P