第四章MOS模拟集成电路基础 §4.1场效应晶体管 §4.2JFF放大电路 §4.3MS模拟集成电路基础 休息1休息2返回
第四章 MOS 模拟集成电路基础 §4.1 场效应晶体管 §4.2 JFET放大电路 休息1 休息2 §4.3 MOS模拟集成电路基础 返回
§4.1场效应晶体管 引言 411JFET的结构及基本工作原理 412JET状安特性曲线 4J3绝缘栅坛应 /FEy号等效模型 休息1体息2返回
§4.1 场效应晶体管 引言 4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 休息1 休息2 4.1.2 JFET伏安特性曲线 返回 4.1.3 绝缘栅场效应管 4.1.4 FET小信号等效模型
§4.1场效应晶体管 引言 晶体管工作在放大区时,输入回路酬结正偏,输入阻抗小, 且是一个电流控制的有源器件。 场效应管也是一种具有FN结的正向受控作用的有源器件, 它是利用电场效应来控制输出电流的大小,其输入端N结 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。 场效应管根据结构不同分为两大类 结型场效应管(JFET)输入阻抗106~10g 绝缘栅场效应管(GFET)输入阻抗102~10g 在 IGFET中又有多种类型,目前应用最广泛的是以二氧 化硅SO2为绝缘层的场效应管,称为金属一氧化物一半导体场 效应管 MOSFET, Metal- Oxide-Semiconductor field effect transistor)。 休息1休息2返回
§4.1场效应晶体管 晶体管工作在放大区时，输入回路 PN 结正偏，输入阻抗小， 且是一个电流控制的有源器件。 场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件， 它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。 场效应管根据结构不同分为两大类： 结型场效应管 (JFET) 输入阻抗 6 9 10 ~ 10 绝缘栅场效应管 (IGFET) 输入阻抗 1 2 1 4 10 ~ 10 在 IGFET 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧 化硅 O2 Si 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场 效应管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 。 休息1 休息2 引言 返回
411JFET的结构及基本工作原理 休息1体息2 1结构 N沟道管:电子导电 D漏极 P沟道管:空穴导电 (1)N沟道管 G栅极 p 在一块N型硅片两侧分别制作 个高浓度的P型区,形成PN结 两个P型区的引线连在一起作为 个电极,称为栅极G。在N型区两 端引出两个电极分别称为源极S和 s源极 漏极D,两个PN结之间的N区域 D漏极 称为电沟道。符号中箭头的方向代 表了栅源电压处于正偏时栅极的电G栅极 流方向。 (2)P沟道管 S 导电沟道为P型半导体,称为P型 沟道管。 s源极 返回
4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 (1) N 沟道管 在一块 N 型硅片两侧分别制作 一个高浓度的 P 型区，形成 P + N 结 ， 两 个 P 型区的引线连在一起作为一 个电极，称为栅极 G。在 N 型区两 端引出两个电极分别称为源极 S 和 漏 极 D，两个 PN 结之间的 N 区 域 称为电沟道。符号中箭头的方向代 表了栅源电压处于正偏时栅极的电 流方向。 S 源极 D 漏极 G 栅极 G S D + P + P N (2) P 沟道管 G S D P + N + N G 栅极 D 漏极 S源极 导电沟道为 P 型半导体，称为 P 型 沟道管。 1 结构 N 沟道管：电子导电 P 沟道管：空穴导电 休息1 休息2 返回
411JFET的结构及基本工作原理 2工作原理 (1)uos对漏极电流,的控制作用 N沟道:Wo沟道截面 如果在uDs>0时("Ds定) in的大小受uos的控制 般:|as个→沟道截→>沟道电阻→>i 当|s=Uasm)时→沟道夹断→i=0 小结:场效应管是一种压控器件; 场效应管只有一种极性的载流子导电一单极性晶体管。 休息1体息2返回
2 工作原理 (1) uGS 对漏极电流 D i 的控制作用 N 沟道： u 0 GS ， PN 结反偏，耗尽层 → 沟道截面 如果在uDS 0 时 + P + P G S D N D i uGS uDS ( u ) DS一定 i D 的大小受uGS 的控制 一般： uGS →沟道截面 → 沟道电阻 → i D 当 uG S = UG S( off ) 时→ 沟道夹断→ i D = 0 小结：场效应管是一种压控器件； 场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。D i D i D i 休息1 休息2 4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 返回
(2)uDs对iD的影响 D Ds>0,uo加强反偏耗尽 →沟道电→i 如果uDs↑→>合拢点沿沟道向源极方向移动> 外电压增量MDs=uDs GS(off) 主要降落在夹断区上 未被夹断的沟道上电压不变,不变(恒流区)。 当D个个→uD>U(BR→强电场PN结雪崩击穿 → in个个 D (击穿区)。 休息1体息2返回
预夹断状态之后： 如 果uD S → 合拢点沿沟道向源极方向移动→ 外电压增量 uD S = uD S − UGS ( off ) 主要降落在夹断区上， → 未被夹断的沟道上电压不变 , D i 不变（恒流区）。 当 uD S → uD S U( BR )D S → 强电场→ PN 结雪崩击穿 → i D （击穿区）。 故沿沟道 PN 结反偏电压不等（上大，下小） 由于沟道电阻的存在，漏源电压 uDS沿沟道递降 耗尽层（上宽下窄）, 沟道宽度（上窄下宽）. 当 uD S = UGS ( off ) 时，靠近漏极出现沟道合拢, 即，出现预夹断状态； I： u 0 DS ， u 0 GS = G S D (2) uDS对iD的影响 uDS + P + P II： u 0 D S ，u 0 GS ， 在相同uD S 电压时，uGS 值不同， 相应的预夹断电压也不同。 u 0 GS → 加强反偏→ 耗尽层 → 沟道电阻 → i D iD 休息1 休息2 N 返回
41.2JFET伏安特性曲线 1转移特性曲线 一般数学表示式:iD=f(uas)米=c 它表示了漏源电压一定时,栅源电压对漏源电流的控制作用。 iD(ma) ps=uGs-UC D G(off) 击穿区 I区 0 lns=6y lcs =-04p UGS(off l L I区 图中lbss称为漏极饱合电流,即us=0时的 转移特性的大信号特性方程:D=1 GS(off) D与s之间不是线性关系,而是平方律关系。故JFET也是 种非线性器件。当然uDs为不同值时,可得一簇转移特性曲线,但由于 工作在恒流区,1D几乎与Ds无关。各曲线基本重合。返回休息1休息2
2 GS ( off ) GS D DSS ) U u i = I ( 1 − 4.1.2 JFET伏安特性曲线 1 转移特性曲线 一般数学表示式： D GS uDS C i f ( u ) = = 它表示了漏源电压一定时，栅源电压对漏源电流的控制作用。 IDSS uDS = 6V 击穿区 I区 II区 III区 UGS ( off ) 6V D i uGS uDS i (mA) D uDS = uGS −UGS( off ) uGS = 0 uGS = −0.4V uGS = −0.8V 图中 IDSS称为漏极饱合电流，即uGS = 0 时的D i 。 转移特性的大信号特性方程： D i 与uGS 之间不是线性关系，而是平方律关系。故 JFET 也是一 种非线性器件。当 然uD S 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，但由于 工作在恒流区， D i 几乎与uD S 无关。各曲线基本重合。 返回 休息1 休息2
2输出特性曲线 iD=∫(uns uGS 2n(m4)uns=la-Uoo)击穿区 Ⅱ区 UGs=-0 4l lla=-0.8 =-=-- uas=UG(off G(off) 6V II区 II:截止区:us GS(off) IV:击穿区 :放大区(恒流区或饱合区):LDs>ls-Ucam 输出特性曲线平坦但略向上倾斜,是模拟电路工作区,向上倾 斜的原因是由于沟道的调制效应。 恒流区的大信号特性方程: I Dss(UGS(off) )(1+auns), 其中相当于BJT的A 返回休息1休息2
IDSS uDS = 6V UGS ( off ) 6V D i uGS uDS i (mA) D uDS = uGS −UGS( off ) uGS = 0 uGS = −0.4V uGS = −0.8V 2 输出特性曲线 击穿区 I区 III区 II区 D DS uGS C i f (u ) = = I：可变电阻区： u D S uGS − U GS ( off ) ： 由于uD S 较小，D i 与uD S 近似线性关系。 D 极 与 S 极对称，允许对换。 II ： 放 大 区 （ 恒 流 区 或 饱 合 区 ）：uD S uG S−UG S(off) 输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区，向上倾 斜的原因是由于沟道的调制效应。 恒流区的大信号特性方程： ) (1 u ) U u i I (1 DS 2 GS( off ) GS D = DSS − + ， 其中 1 相当于 BJT的UA III：截止区： uGS = UGS ( off ) IV：击穿区 uGS = UGS ( off ) 1 返回 休息1 休息2
41.3绝缘栅场效应管 栅极处于绝缘状态的场效应管,输入阻抗很大, 目前广泛应用的是SO2为绝缘层的绝缘栅场效应管, 称为金属一氧化物一半导体场效应管,简称 MOSFET。 MOSFET的类型: 增强型N沟道MOS管(E型 N MOSFET 耗尽型N沟道MOS管(D型 N MOSFET) 增强型P沟道MOS管(E型 P MOSFET) 耗尽型P沟道Mos管(D型 P MOSFET) 返回休息1休息2
4.1.3 绝缘栅场效应管 栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大， 目前广泛应用的是 Si O2 为绝缘层的绝缘栅场效应管， 称为金属－氧化物－半导体场效应管，简称 MOSFET。 MOSFET 的类型： 增强型 N 沟道 MOS 管（E 型 N MOSFET） 耗尽型 N 沟道 MOS 管（D 型 N MOSFET） 增强型 P 沟道 MOS 管（E 型 P MOSFET） 耗尽型 P 沟道 MOS 管（D 型 P MOSFET） 返回 休息1 休息2
1E型 N MOSFET的工作原理 GD (1)E型 N MOSFET结构及电路符号 S: O2 在一块P型硅衬底上扩散两个高T—T 掺杂的N型区,分别作为源极S和漏 极D,在S和D之间的P型衬底平面 P 上利用氧化工艺生长一层薄的SO2绝 缘层,并引出G,在衬底上引出接触 衬底引线 电极一衬底(引线)电极。 般:当ug=0时,D,S之间无导电沟道存在〉增强型(E型) 当ugs=0时,D,S之间有导电沟道存在>耗尽型(D型) E型 NMOSFET E型 P MOSFET D型 NMOSFET D型 P MoSFEt 返回
衬底引线 P SiO2 1 E型N MOSFET的工作原理 N+ N+ S G D (1) E 型 N MOSFET 结构及电路符号 在一块 P 型硅衬底上扩散两个高 掺杂的 N 型区，分别作为源极 S 和漏 极 D，在 S 和 D 之间的 P 型衬底平面 上利用氧化工艺生长一层薄的 Si O2绝 缘层，并引出 G，在衬底上引出接触 电极－衬底（引线）电极。 一般： 当u 0 GS = 时 ，D,S 之间无导电沟道存在→ 增强型（E 型 ） 当u 0 GS = 时 ，D,S 之间有导电沟道存在→ 耗尽型（D 型 ） E型N MOSFET E型PMOSFET D型N MOSFET D型PMOSFET 返回