場效應(yīng)管特性研究-陶葉敏

1、1湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）場效應(yīng)管特性研究場效應(yīng)管特性研究 物理系 07級(jí)電科2班 07417214 陶葉敏2場效應(yīng)管特性研究場效應(yīng)管特性研究v 1. 1.場效應(yīng)管分類場效應(yīng)管分類v 2. 2.場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理v 3. 3.場效應(yīng)管特性曲線場效應(yīng)管特性曲線 v 4. 4.場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路v 5.MOS5.MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)3研究背景：研究背景： 從電子工業(yè)進(jìn)入集成電路時(shí)代以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，從電子工業(yè)進(jìn)入集成電路時(shí)代以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，場效應(yīng)管在集成電路系統(tǒng)中扮演著越來越重要的作

2、用。場效應(yīng)管在集成電路系統(tǒng)中扮演著越來越重要的作用。由于場效應(yīng)管具有輸入電阻由于場效應(yīng)管具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，有逐漸取代三極管的趨勢。根據(jù)預(yù)測，電子寬等優(yōu)點(diǎn)，有逐漸取代三極管的趨勢。根據(jù)預(yù)測，電子技術(shù)發(fā)展大到技術(shù)發(fā)展大到2121世紀(jì)前半葉，主流技術(shù)仍將是世紀(jì)前半葉，主流技術(shù)仍將是CMOSCMOS為為主流的場效應(yīng)管相關(guān)技術(shù)。鑒于場效應(yīng)管在現(xiàn)代集成電主流的場效應(yīng)管相關(guān)技術(shù)。鑒于場效應(yīng)管在現(xiàn)代集成電路領(lǐng)域不可或缺的重要作用，對(duì)于場效應(yīng)管特性方面的路領(lǐng)域不可或

3、缺的重要作用，對(duì)于場效應(yīng)管特性方面的研究變得十分重要。研究變得十分重要。 4v1. 1.場效應(yīng)管分類場效應(yīng)管分類 場效應(yīng)是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)來劃分，可分為絕緣柵型（MOSFET）和結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）。52. 2.場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理 N溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖 2.1圖2.1增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu) 下面以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。v2.1結(jié)構(gòu)6v2.2 2

4、.2 工作原理工作原理 見圖2.2，當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。 當(dāng)VDS=0且VGS0V時(shí)， g、b極間存在縱向電場會(huì)將靠近柵極下方的空穴向下排斥，留下帶負(fù)電的離子從而形成耗盡層。再增加VGS，縱向電場隨之增大，將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面會(huì)形成導(dǎo)電溝道（反型層、感生溝道），如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。 -s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid(1)柵源電壓VGS的控制作用圖2.2柵源電壓VGS的控制作用7v見圖2.3，當(dāng) VGSVT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流id的影響。

5、（設(shè)VT =2V，VGS =4Vv（a）VDS=0時(shí)，id=0。v（b）VDS 增大，id也隨之增大，同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。v（c）當(dāng)VDS增加到使VGDVGSVDSVT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。v（d）VDS再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。-P襯底d+dDDVs+二氧化硅NNbiGGVg（2）漏源電壓VDS的控制作用 圖2.3漏源電壓VDS的控制作用 8v3. 3.場效應(yīng)管的特性曲線場效應(yīng)管的特性曲線以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例，研究其輸出特性和轉(zhuǎn)移特性。圖3.1為N溝道增強(qiáng)型MOSFET輸出特性曲線。圖3.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFE

6、T輸出特性曲線3.1輸出特性輸出特性9(a)夾斷區(qū)（截止區(qū)） 當(dāng)VGS VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，ID=0，為截止工作狀態(tài)。(b)可變電阻區(qū) 在可變電阻區(qū)內(nèi) VDS（VGSVT） 其中 為電導(dǎo)常數(shù) 單位：mA/V2DSTGSnD )(2vvVKiLWLWKK2C2oxnnn常數(shù)GSDDSdsovvdidrDiVK1)(21TGSnv圖3.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET輸出特性曲線rdso是一個(gè)受VGS控制的可變電阻 。10（c c）飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)） 當(dāng)當(dāng)VGS VT VGS VT ，且，且VDSVDS（VGSVGSVTVT）時(shí)，）時(shí)，MOSFETMOSFET已

7、已 進(jìn)入飽和區(qū)。進(jìn)入飽和區(qū)。2TGSnD)(VKiv2TGS2Tn) 1(VVKv2TGSDO) 1(VIv2TnDOVKI式中是VGS2VT時(shí)的iD 。 11v3.2轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 所謂轉(zhuǎn)移特性是指在漏源電壓VDS一定的條件下，柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制特性，即const.GSDDS)(vvfi如圖3.2為某一N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線。圖3.2 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線12v 4. 4.場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路 與晶體管的共射、共基和共集三種組態(tài)相對(duì)應(yīng)，場效應(yīng)管也有共源、共柵和共漏三種組態(tài)。4.1 直流分析直流分析如圖4.1所示電路，其直流通路如

8、圖4.2所示。圖4.1 共源放大電路13圖4.2 直流通路144.2 交流小信號(hào)模型交流小信號(hào)模型 與晶體管模型的導(dǎo)出相類似，iD是uGS 和uDS的函數(shù)： iD=f(uGS， uDS）研究動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)用全微分表示：定義：15 如圖4.3所示場效應(yīng)管電路，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，管子的電壓、電流僅在Q點(diǎn)附近變化，可以認(rèn)為是線形的，與近似為常數(shù)，用有效值表示：dsdsgsmdUrUgI1圖4.3由此式可畫出該場效應(yīng)管電路的低頻小信號(hào)等效模型如圖4.4所示 圖4.4 低頻小信號(hào)等效模型16由于的值很大，可以忽略，由圖4.5得到簡化的等效模型如圖4.6所示 圖4.5 簡化的小信號(hào)模型DDOthGSUthGSGS

9、thGSDOUGSDmDODthGSGSthGSGSDODiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2) 1(2 1 1DQDOthGSmIIUg)(2增強(qiáng)型MOS管在小信號(hào)作用時(shí)，可用IDQ代替iD，得出：174.3 共源放大電路共源放大電路下面以共源放大電路為例，研究場效應(yīng)管放大電路。如圖4.6所示共源放大電路，先畫出其交流通路如圖4.7所示。圖4.6 共源放大電路圖4.7 交流通路18再畫出交流小信號(hào)模型等效電路，如圖4.8所示 計(jì)算交流性能： 圖4.8 交流小信號(hào)模型電路1.電壓放大倍數(shù)： 如果有信號(hào)源內(nèi)阻時(shí)： iSiLmuRRRRgA192. 輸入電阻： iR

10、= 1gR2gR 3.輸出電阻 ： = oRDR5 場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)直流參數(shù) 2.交流參數(shù)交流參數(shù) 3.極限參數(shù)極限參數(shù) 20致謝：致謝： 在本文的寫作過程中，首先我要感謝指導(dǎo)老師張艷蕾在本文的寫作過程中，首先我要感謝指導(dǎo)老師張艷蕾老師對(duì)我論文工作的大力支持，包括學(xué)術(shù)論文的閱讀方法、老師對(duì)我論文工作的大力支持，包括學(xué)術(shù)論文的閱讀方法、創(chuàng)作思維的啟發(fā)與引導(dǎo)。另外，在程序的編寫過程中張艷蕾創(chuàng)作思維的啟發(fā)與引導(dǎo)。另外，在程序的編寫過程中張艷蕾老師給我提了許多很好的建議，這對(duì)我論文的順利完成起了老師給我提了許多很好的建議，這對(duì)我論文的順利完成起了莫大的幫助。其次要感謝朱高峰老師和劉娟儀老師，從論文莫大的幫助。其次要感謝朱高峰老師和劉娟儀老師，從論文的選稿到最終的定稿，他們都給了我最無私的指導(dǎo)和幫助。的選稿到最終的定稿，他們都給了我最無私的指導(dǎo)和幫助。同時(shí)也要