電子線路(線性部分)第三章

1、 場效應(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、工藝簡單，場效應(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。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。 場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。 場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管P溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） P溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） 增強(qiáng)型（增強(qiáng)型（EMOS） 耗盡

2、型（耗盡型（DMOS） N溝道溝道MOS管與管與P溝道溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電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。 N+N+P+P+PUSGDq N溝道溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極P P型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道寬溝道寬度度 N溝道溝道EMOS管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 U接電路最低電

3、位或與接電路最低電位或與S極相連極相連( (保證源襯保證源襯PN結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 VGS 0 ( (形成導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N溝道溝道EMOS管管工作原理工作原理柵柵 襯之間襯之間相當(dāng)于以相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。為介質(zhì)的平板電容器。 N溝道溝道EMOSFET溝道形成原理溝道形成原理 假設(shè)假設(shè)VDS =0，討論，討論VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGS形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)并與并與PN結(jié)相通結(jié)相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負(fù)離子負(fù)離子 、電子、電子 VGS 開啟

4、電壓開啟電壓VGS(th)形成形成N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道表面層表面層 npVGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層反型層 VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設(shè)（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時此時W近似不變近似不變，即即Ron不變不變。由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID線性線性 。 若若VDS 則則VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N

5、+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當(dāng)當(dāng)VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時時 A點出現(xiàn)預(yù)夾斷點出現(xiàn)預(yù)夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點左移點左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l 不變（即不變（即Ron不變）。不變）。因此預(yù)夾斷后：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?；揪S持不變。

6、若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則則VDS 溝道長度溝道長度l 溝道電阻溝道電阻Ron略略 。因此因此 VDS ID略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出ID隨隨VDS 變化變化的關(guān)系曲線：的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。單極型器件。 三極三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。雙極型器件。 利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源

7、電壓VGS的變化，改變感生電的變化，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：工作原理： 由于由于MOS管柵極電流為零，故管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。不討論輸入特性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：ID= f ( VGS )VDS = 常數(shù)常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - - 轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理

8、過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。換。 NEMOS管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點：特點：ID同時受同時受VGS與與VDS的控制。的控制。當(dāng)當(dāng)VGS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VDSID近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V當(dāng)當(dāng)VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：此時此時MOS管

9、可看成阻值受管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：控制的線性電阻器：VDS很小很小MOS管工作在非飽區(qū)時，管工作在非飽區(qū)時，ID與與VDS之間呈線性關(guān)系：之間呈線性關(guān)系：)(222DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCIGS(th)GSOXnon1VVWClR其中：其中：W、l 為溝道的寬度和長度。為溝道的寬度和長度。COX （= / OX）為單位面積的柵極電容量。）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)。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。 DSGS(th)GSOXn)(VVVlWCq 飽和區(qū)飽和區(qū)特點：特點： ID只受只受VGS控制，而與控制，而與VDS近似無關(guān)

10、，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū)。溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。即：即：VGD VGS(th) 數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則

11、ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在飽和區(qū)時，飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l 有關(guān)。有關(guān)。通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -1q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：相當(dāng)于相當(dāng)于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形

12、成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件：VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯PN結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管穿通擊穿。穿通擊穿。 由于由于MOS管管COX很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q /COX)，使使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，造成MOS管永久性損壞管永久性損壞。MOS管保護(hù)

13、措施：管保護(hù)措施：分立的分立的MOS管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：集成電路：TD2D1D1 D2一方面限制一方面限制VGS間最大電壓，間最大電壓，同時對感同時對感 生電荷起旁路作用。生電荷起旁路作用。 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS對對ID的控制作用的控制作用, ,可由輸出特性轉(zhuǎn)換可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS

14、 /V012345 轉(zhuǎn)移特性曲線中轉(zhuǎn)移特性曲線中, ,ID = =0 時對應(yīng)的時對應(yīng)的VGS值值, ,即開啟電壓即開啟電壓VGS（th） 。q 襯底效應(yīng)襯底效應(yīng) 集成電路中，許多集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證U與與S、D之間之間PN結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位（路最低電位（N溝道）或最高電位（溝道）或最高電位（P溝道）。溝道）。 若若| VUS | - - +VUS耗盡層中負(fù)離子數(shù)耗盡層中負(fù)離子數(shù) 因因VGS不變（不變（G極正電荷量不變）極正電荷量不變）ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根據(jù)襯底電壓對根據(jù)襯

15、底電壓對ID的控制作用，又的控制作用，又稱稱U極為極為背柵極。背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層中電子電子數(shù)數(shù) q P溝道溝道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - NN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管與管與P溝道溝道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負(fù)、零均可。正、負(fù)、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達(dá)式表達(dá)式與與EMOS管管相同相同。PDMOS與與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差

16、別僅在于電壓極性與電流方向相反。q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0 VGS(th)q 飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型飽和區(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極性取決于溝道類型N溝道：溝道：VDS 0， P溝道溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |即：即：VGD |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（

17、放大區(qū)）工作條件|VDS | | VGS VGS(th) | 即：即：VGD |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI 飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型)(222DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCI由VDS很小，可得+TVDSVGSID+- - -q FETFET直流簡化電路模型直流簡化電路模型( (與三極管相對照與三極管相對照) ) 場效應(yīng)管場效應(yīng)管G、S之間開路之間開路 ，IG 0 ，開啟電壓，開啟電壓VGS(th) 。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等

18、效三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為為VBE(on) 。 FET輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足IC= IB2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -q MOSMOS管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路模型( (與三極管對照與三極管對照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds為為場效應(yīng)管場效應(yīng)管輸出電阻：輸出電阻： 由于場效應(yīng)管由于場效應(yīng)管IG 0，所

19、以輸入電阻所以輸入電阻rgs 。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻故輸入電阻rb e較小。較小。)/(1CQceIr與三極管與三極管輸出電阻表達(dá)式輸出電阻表達(dá)式 相似。相似。)/(1DQdsIrrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e MOS管管跨導(dǎo)跨導(dǎo)QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管三極管跨導(dǎo)跨導(dǎo)CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨導(dǎo)比管的跨導(dǎo)比三極管的三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即MOS管放管放大能力比三極管弱。大能

20、力比三極管弱。q 計及襯底效應(yīng)的計及襯底效應(yīng)的MOS管簡化電路模型管簡化電路模型 考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓vus對漏極電流對漏極電流id的控制作用，小信號等效電路中需增加一個的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，稱背柵跨導(dǎo)，工程上工程上mQusDmugvig 為常數(shù)，為常數(shù)，一般一般 = 0.1 0.2, 若若vus=0，可不考慮，可不考慮q MOS管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型 當(dāng)高頻應(yīng)用、需計及管子極間電容（相對較大）影響時，應(yīng)采用如下高頻等當(dāng)高頻應(yīng)用、需計及管

21、子極間電容（相對較大）影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間平板電柵源極間平板電容容漏源極間電容漏源極間電容（漏襯與源襯之間的勢（漏襯與源襯之間的勢壘電容）壘電容）柵漏極間平板電柵漏極間平板電容容 場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法估算法分分析電路直流工作點；采用析電路直流工作點；采用小信號等效電路法小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標(biāo)。分析電路動態(tài)指標(biāo)。 場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是

22、由于只是由于兩種管子工作原理不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效應(yīng)管電路時，同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點。一定要注意自身特點。q 估算法估算法 MOS管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非飽和模式非飽和模式（需重新計算需重新計算Q Q點點）N溝道管溝道管：VGS VGS(th)截止條件截止條件 非飽和與飽和（放大）模式判斷方法非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)a)由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路VGS與與ID之間關(guān)系式。之

23、間關(guān)系式。c)c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)d)判斷電路工作模式：判斷電路工作模式：若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| VGS(th) 即：即：VGD VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設(shè)成立。假設(shè)成立。q 小信號等效電路法小信號等效電路法場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似。場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似。 利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。 畫交流通路畫交流通路 將將FETFET用小信號電路模型代替用小信號電路模型代替 計算微變參數(shù)計算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。q JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道溝道JFETP溝道溝道JFETN+N+PGSDq N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結(jié)反偏結(jié)反偏) )VGS VGS(off) 0V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，JFET的的ID與與VGS之間也滿足平方律關(guān)系，但由于之間也滿