北京航空航天大學(xué)《電子電路i》第一章-4-fet-zqv

1、BECIBIEICPNDGSBJT場效應(yīng)管FETJFETGSDMOSFET10/4/20221精選PPT內(nèi)容組織二極管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗盡增強NPNP1.組成結(jié)構(gòu)2.原理條件,狀態(tài)3.曲線-大信號曲線表達(dá)式4.小信號模型模型等效參數(shù)5.參數(shù)10/4/20222精選PPT1.4 場效應(yīng)晶體管（FET） 結(jié)型場效應(yīng)管JFET 金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成的絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET。1.4.1 JFET的結(jié)構(gòu)、工作原理和特性10/4/20223精選PPTN基底 ：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S(源極)D(漏極)JFET結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電溝道10/4/20224精選PPTNPPG(柵

2、極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管JFET符號：DGS根據(jù)圖標(biāo)判斷N或P溝道的方法：找出溝道；找到方向10/4/20225精選PPTPNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管JFET符號：DGS10/4/20226精選PPTNGSDVDSVGSNNIDVDS=0V時PP但當(dāng)VGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。JFET工作原理（以N溝道為例）：PN結(jié)反偏， |VGS |越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。10/4/20227精選PPTVDS=0時NGSDVDSVGSPPID|VGS |達(dá)到一定值時（夾斷電壓VGS(off)）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，

3、即使VDS 0V，漏極電流ID=0A。JFET工作原理（以N溝道為例）：10/4/20228精選PPTNGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大。IDVDS0且|VGS | VGS(off) 、VGDVGS(off)時耗盡區(qū)的形狀。JFET工作原理（以N溝道為例）：溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。VGD = VGS+VSD10/4/20229精選PPTJFET工作原理（以N溝道為例）：GSDVDSVGS|VGS | (vGS-VGS(th)，且vDS為定值的條件下，vGS通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道電阻值控制iD的值，就是轉(zhuǎn)移特性。 轉(zhuǎn)移特性的考察均是在恒流區(qū)！P44頁：NMOS為例包括D型

4、和E型10/4/202227精選PPTvGS的控制作用-柵源對溝道的影響演示10/4/202228精選PPTE型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線：PNNGSDUDSUGSvGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，電阻越小，iD越大10/4/202229精選PPT1.4.3.2 vDS的控制作用vDS使溝道內(nèi)產(chǎn)生電位梯度從而使溝道的厚度不均勻。條件：vGSVGS(th)vDS增加到vGSVGS(th)時，近D端反型層消失，稱為預(yù)夾斷。繼續(xù)增大vDS，夾斷點向S極延伸，夾斷點和S極的電壓不變。10/4/202230精選PPTvDS的控制作用（漏源對溝道的影響演示）10/4/202231精選PPTE型NMOS管的輸出特性曲

5、線：I區(qū)可變電阻區(qū)II區(qū)恒流區(qū)（放大區(qū)）III區(qū)截止區(qū)IV區(qū)擊穿區(qū)保持vGS為不同固定值時，得到iD隨vDS變化的一族曲線10/4/202232精選PPT1.4.4 耗盡型NMOS管和增強型PMOS管工作原理1.4.4.1 D型NMOSFET工作原理D型NMOS管和E型NMOS管結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別僅在于導(dǎo)電溝道事先存在，在vGS=0的時候，iD也不等于0。當(dāng)vGS=VGS(off)時，導(dǎo)電溝道消失，iD=0。vGS=0時iD0E型vGS +4結(jié)論：D型-平移關(guān)系-E型。轉(zhuǎn)移曲線右移、輸出曲線下移。N、P溝道均一樣！（見課本對照表。）10/4/202233精選PPT1.4.4.2 E型PMOSF

6、ET工作原理E型PMOS管和NMOS管的vGS和vDS電壓極性相反，iD方向也相反。輸出特性曲線的形狀相似輸出特性曲線處于第三象限E型NMOSN、P原點對稱！D型NMOSD、E平移！10/4/202234精選PPT1.4.5 MOSFET的大信號特性方程1.4.5.1 E型NMOSFET1. 可變電阻區(qū)條件：vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th)電流方程：式中：n是管子的增益系數(shù)，單位為mA/V2式中：n是NMOS管溝道中電子的遷移率；Cox是氧化層單位面積電容量；W/L 是溝道寬度與長度之比（式1.4.4） P4310/4/202235精選PPTvDS很小時（例如vDSVGS

7、(th), vDS=(vGS-VGS(th)以vDS=(vGS-VGS(th)代入式 1.4.4 后，得：可見iD和vGS成平方率關(guān)系。（式 1.4.7） P43參見 P41 圖 1.4.13 中相應(yīng)虛線10/4/202237精選PPT3. 恒流區(qū)條件：vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th)iD隨vDS增加而稍有斜升，式 1.4.7 可改寫成：（式 1.4.8） P44式中：是溝道調(diào)制系數(shù)，典型值為 0.01V-1參見 P41 圖 1.4.1310/4/202238精選PPT1.4.5.2 E型PMOSFET1. 可變電阻區(qū)條件：vGSVGS(th), |vDS|vGS-VGS

8、(th)|電流方程：式中：p是PMOS管溝道中空穴的遷移率；Cox是氧化層單位面積電容量；W/L 是溝道寬度與長度之比（式1.4.9）（式1.4.10）|vDS|很小時：10/4/202239精選PPT2. 恒流區(qū)條件：vGS|vGS-VGS(th)|（式 1.4.13）參見 P43 圖 1.4.1510/4/202240精選PPT1.4.5.3 D型NMOSFET可變電阻區(qū)特性方程：恒流區(qū)特性方程：（ = 0）D型：VGS(off)與E型：VGS(th)10/4/202241精選PPTD型NMOS管飽和漏極電流IDSS為： 和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它們特性的重要參

9、數(shù)。JFET和D型NMOS管都是耗盡型，故用相同的符號VGS(off)表示夾斷電壓。增強型管用VGS(th)表示開啟電壓。10/4/202242精選PPT四種 MOS的關(guān)系：曲線關(guān)系！E型PMOS。輸出特性曲線處于第三象限E型NMOSN、P原點對稱！D型NMOSD、E平移！思考題：四種MOS管的表達(dá)式有何關(guān)系？課后整理成表格形式！10/4/202243精選PPT1.4.6 MOSFET亞閾區(qū)的傳輸特性 實際上，MOS管存在弱反型層，對NMOS管，在vGSVGS(th)時，就已有漏極電流iD。這種現(xiàn)象稱為亞閾區(qū)導(dǎo)電效應(yīng)。對數(shù)坐標(biāo)10/4/202244精選PPT亞閾區(qū)的特性方程：（式1.4.19）

10、 P46式中：ID0稱為特征電流。 n是與襯底調(diào)制有關(guān)的因子。約為 1.53 。亞閾區(qū)的跨導(dǎo) gmsub：BJT的跨導(dǎo) gm：可見，MOS管在亞閾區(qū)的放大能力接近于BJT。10/4/202245精選PPT1.4.7 MOSFET的體效應(yīng)和背柵控制特性 在vBS0的情況下，vBS對導(dǎo)電溝道也有一定的控制能力，這種現(xiàn)象稱為體效應(yīng)或襯底調(diào)制效應(yīng)。vBS通過改變VGS(th)的值改變iD的值，因而vBS對iD有控制作用，B極又稱為背柵。背柵如：當(dāng)vBS0時，加BS間反偏電壓，使PN結(jié)耗盡區(qū)擴展增厚，使得VGS(th)的值增加。10/4/202246精選PPT對背柵的控制能力通常用跨導(dǎo)比來表示：式中：g

11、mb表示背柵跨導(dǎo)；gm表示轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)。背柵控制特性表明了MOS管的四極管作用。1 背柵對iD的控制作用比柵極弱得多。10/4/202247精選PPT1.4.8 FET 的小信號模型1.4.8.1 JFET的小信號模型小信號條件：Vgsm0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信號下工作在放大區(qū)時的正向傳輸跨導(dǎo)。 rds是JFET在放大區(qū)的小信號輸出電阻。10/4/202248精選PPT式中：gm0是VGS=0時的跨導(dǎo)?？梢姡琯m是IDSS、VGS(off)和靜態(tài)工作電流ID決定的。若：ID=1mA，設(shè)=0.01V1 則 rds=100k因PN結(jié)反偏，rgs數(shù)值非常大，108101210/4

12、/202249精選PPTJFET的低頻小信號模型：柵源電阻非常大，可近似認(rèn)為開路數(shù)值上為gmvgs的受控電流源輸出電阻，溝道長度調(diào)制效應(yīng)引起。10/4/202250精選PPT集成電路中的JFET小信號模型：10/4/202251精選PPT1.4.8.2 MOSFET的小信號等效模型1. MOS管的等效電容襯底與漏區(qū)的勢壘電容 Cbd襯底與源區(qū)的勢壘電容 CbsG極與源區(qū)的電容 CgsG極與漏區(qū)的電容CgdG極與溝道重疊部分的電容C溝道耗盡區(qū)的電容Csc10/4/202252精選PPTMOSFET的小信號交流等效模型：10/4/202253精選PPT跨導(dǎo)的計算增大gm的方法：增大工藝參數(shù)W/L和工作電流ID（=0.010.2）10/4/202254精選PPT輸出電阻的計算10/4/202255精選PPT場效應(yīng)管（FET）小結(jié)特點：電場控制電流-輸入電阻高僅多子導(dǎo)電-溫度穩(wěn)定性好類型：結(jié)型：JFET N溝道、P溝道絕緣柵型MOSFET ：N溝道D/E；P溝道D/E;原理：JFET利用PN結(jié)反向電壓控制耗盡層厚度，改變溝道寬窄，控制漏極電流；MOSFET利用柵源電壓改變表面感生電荷，控制漏極電流。返回10/4/202256精選PPT作業(yè) P58：13-18例題10/4/202257精選PPT隨堂小測試（5min）畫出JFET的低頻小信號模型？等效