第三章(1)模拟电子电路 PPT

unCox W iD = (uGS − U GSth ) 2 2 L
(3―4)
第3章 场效应管及其基本电路 章
iD
(a).转移特征曲线 转移特征曲线: 转移特征曲线
0 U
GSth
uGS (V)
第3章 场效应管及其基本电路 章
式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)； µn——沟道电子运动的迁移率； Cox——单位面积栅极电容； W——沟道宽度； L——沟道长度(见图3―5(a))； W/L——MOS管的宽长比。 W/L MOS管的宽长比。 在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重 要的参数。
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―2 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管(IGFET)
3―2―1 绝缘栅场效应管的结构 如图3―5所示，其中图(a)为立体结构示意图，图 (b)为平面结构示意图。
第3章 场效应管及其基本电路 章
分类 增强型(E) 按工作方式 MOSFET 按沟道类型 耗尽型(D) NMOS(N沟道) PMOS(P沟道)
击 穿 区
UGSoff
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 (a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线
第3章 场效应管及其基本电路 章
二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。 如图3―3(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们 将其分为四个区域： 1.恒流区 恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特 征为： (1)当UGSoff<UGS<0时，uGS 变化，曲线平移，iD 与 uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。
duDS L 1 rDS = = diD unCoxW uGS − U GSth
(3―10)
式(3―10)表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―2―3 N沟道耗尽型 沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET) 沟道耗尽型 增强型N沟道MOSFET在uGS=0时，管内没有导电 沟道。而耗尽型则不同，它在 uGS =0时就存在导电 沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的 SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na++或K++)， 形成许多正电中心。这些正电中心的作用如同加正栅 压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场， 排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为 原始导电沟道。
第3章 场效应管及其基本电路 章
ID＞0 D G P P UDS 沟道局部夹断 D ID＝IDSS
G P P UDS
UGS
S (a)
UGS
S
(b) 图3―4 uDS对导电沟道的影响
可变电阻区 临界饱和区
D(2V) -4 -5
设
uGS − u DS < uGS ( off ) uGS − u DS = uGS ( off )
S(0V)
第3章 场效应管及其基本电路 章
沟道调制系数λ。不同UGS 对应的恒流区输出特性 延长会交于一点(见图3--8(b))，该点电压称为厄尔利电 压UA。定义沟道调制系数
1 λ= << 1 UA
平坦，|UA|越大，λ越小。
(3―6)
来表达uDS 对沟道及电流iD 的影响。显然，曲线越
第3章 场效应管及其基本电路 章
iD =
unCox W [2(uGS − U GSth )uDS − u 2 DS ] 2 L
(3―8)
第3章 场效应管及其基本电路 章
可见，当uDS(uGS-UGSth)时(即预夹断前)
unCox W iD ≈ (uGS − U GSth )U DS 2 L
那么，可变电阻区的输出电阻rDS为
(3―9)
第3章 场效应管及其基本电路 章
UDS UGS
D
N＋ 导电沟道 P型衬底 B (b)
N＋
G S
B
(c)
图3―6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号
第3章 场效应管及其基本电路 章
二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3―7所示。 其主要特点为： (1)当uGS<UGSth时，iD=0。 (2)当uGS >UGSth时， iD >0，uGS越大， iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式 (3―4)所示。
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―1―2结型场效应管的特性曲线 结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线 转移特性曲线表达在UDS 一定时，栅源电压uGS 对 漏极电流iD的控制作用，即
iD = f (uGS ) uDS =C
即
(3―1)
理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，
uGS 2 iD = I DSS (1 − ) U GSoff
第3章 场效应管及其基本电路 章
D D G P N 型 P 沟 道 G G S S (a)
D D P 型 N N 沟 道
G S
S (b)
图3―1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 (a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET
第3章 场效应管及其基本电路 章
D
ID＝IDSS(最大) UDS P P
IGFET
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―1结型场效应管 结型场效应管
3―1―1结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管的结构及工作原理 结 型 场 效 应 管 (JunctionFieldEffectTransistor) 简 称 JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图3―1给出 了JFET的结构示意图及其表示符号。
第3章 场效应管及其基本电路 章
iD UGS
UA (厄尔利电压 ) (b)
图3―8输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压
0
u DS
第3章 场效应管及其基本电路 章
(2)恒流区： ·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。 ·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。 ·进入恒流区的条件，即预夹断条件为
考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为
iD =
unCox W (uGS − U GSth ) 2 (1 + λuDS ) 2 L
(3―7a)
但由于λ<<1，沟道调制效应可忽略，则
unCox W iD ≈ (uGS − U GSth )2 2 L
(3)可变电阻区： 可变电阻区的电流方程为
(3―7b)
第3章 场效应管及其基本电路 章
2. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|<|UGSoff|时，即预夹断前(如图 3―4(a)所示)，uDS 的变化直接影响整个沟道的电场强 度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS 的增 大， iD增大很快。 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对 iD上升的斜率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变 ∆u 小，说明JFET的输出电阻 rDS ( = DS ) ∆ iD 变大。如图3--3(b)所示
P型硅衬底 衬底引线 B (b)
图3―5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―2―2N沟道增强型 沟道增强型 MOSFET(EnhancementNMOSFET) 一、导电沟道的形成及工作原理 如图3―6所示，若将源极与衬底相连并接地，在 栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正 压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。
第3章 场效应管及其基本电路 章
源极 S
栅极 漏极 G D 氧化层 (SiO2) N＋
A1层 N＋ 耗 尽 层 L P型衬底 B (a)
图3―5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图
W
第3章 场效应管及其基本电路 章
S
G
D 绝缘层 (SiO2)
N＋
N＋
半导体
uGS ( off ) = −7V
G
uGS − u DS > uGS ( off ) 且 uGS < uGS ( off ) 饱和区 （恒流区） uGS > uGS ( off ) 截止区
-6 -7.5 S(0V)
第3章 场效应管及其基本电路 章
3. 截止区 当|UGS|>|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此 区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区， 即相当于开关打开。 4.击穿区 击穿区 随 着 uDS 增 大 ， 靠 近 漏 区 的 PN 结 反 偏 电 压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。
(3―2)
第3章 场效应管及其基本电路 章
式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。 转移特性曲线如图3―3(a)所示。 为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使 栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN 结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。
第3章 场效应管及其基本电路 章
三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3―8所示。 与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、 可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为： (1)截止区：UGS≤UGSth，导电沟道未形成，iD=0。
第3章 场效应管及其基本电路 章
图3―8输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压
第3章 场效应管及其基本电路 章
iD
ID0 UGSoff 0 (a)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 (a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
u GS
第3章 场效应管及其基本电路 章
i D/mA
＋6V
4 3 2 －3V 1 0 5 10 (b)
图3―10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 (a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号
第3章 场效应管及其基本电路 章
(2)UGS 固定，uDS 增大，iD 增大极小。说明在恒流 区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时， UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|>|UGSoff| (3―3) 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)， 如图3―4(b)所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局 部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以 uDS的变化对iD影响很小。
D
ID减小 UDS P
UGS P
D
ID＝0 UDS P
N G P
UGS S (a) S
S (c)
(b)
图3―2栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图 (a) UGS =0，沟道最宽，ID最大； (b) UGS负压增大，沟道变窄， ID减小； (c) UGS负压进一步增大，沟道夹断， ID =0
U DS ≥ U GS − U GSth
(3―5)
第3章 场效应管及其基本电路 章
因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGD<UGSth时， 靠近漏极的沟道被首先夹断(如图3―9所示)。此后， UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻 大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本 恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此 进入恒流区。
第3章 场效应管及Fra Baidu bibliotek基本电路 章
第3章 场效应管及其基本电路 章
3―1 结型场效应管 3―2 绝缘栅场效应管(IGFET) 绝缘栅场效应管 3―3 场效应管的参数和小信号模型 3―4 场效应管放大器
第3章 场效应管及其基本电路 章
JFET
利用PN结反向电压对耗尽层厚度的 控制来改变导电沟道的宽度，从而 控制漏极电流的大小。 绝缘栅极场效应管利用栅源电压的 大小来改变半导体表面感生电荷的 多少，从而控制漏极电流的大小。
第3章 场效应管及其基本电路 章
i D/mA IDSS 5 4 3 2 1 －3 UGSoff (a)
图3―3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 (a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线
－2
－1
0
u GS/V
第3章 场效应管及其基本电路 章
i D/mA 可 变 UDS＝UGS－UGSoff 电 UGS＝0V 4 阻 区 －0.5V 恒 3 －1V 流 2 区 －1.5V 1 －2V 0 5 截止区 10 (b) 15 20 u DS/V
第3章 场效应管及其基本电路 章
D(1V)
uGS − u DS > uGSth uGS − u DS = uGSth
4
可变电阻区 临界饱和区
3 G 2.5 1.5
设
uGSth = 2V
uGS − u DS < uGSth 且 uGS > uGSth 饱和区 （恒流区） uGS < uGSth 截止区