MOS管(新)教學(xué)課件

第五章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(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。場(chǎng)效應(yīng)管：結(jié)型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型MOS管(新)§5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管

金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)

又稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，它是一種利用半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于109

。增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道， 在VDS作用下iD。MOS管(新)1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)

N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個(gè)電極作為GD(Drain):漏極，相當(dāng)cG(Gate):柵極，相當(dāng)bS(Source):源極，相當(dāng)eB(Substrate):襯底§5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFETMOS管(新)2.工作原理VGS=0時(shí)，無導(dǎo)電溝道

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，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反向，所以不存在導(dǎo)電溝道。

VGS=0，ID=0VGS必須大于0

管子才能工作。（1）柵源電壓VGS的控制作用MOS管(新)

（b）0＜VGS＜VT

（VT

稱為開啟電壓)

在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。但由于電場(chǎng)強(qiáng)度有限，吸引到絕緣層的少子電子數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0＜VGS＜VT，

ID=0MOS管(新)(c)VGS＞VT時(shí)此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成N溝道。如果此時(shí)VDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，ID增加。這種在VGS=0時(shí)沒有導(dǎo)電溝道，依靠柵源電壓的作用而形成感生溝道的FET稱為增強(qiáng)型FETVGS>0g吸引電子

反型層

導(dǎo)電溝道VGS

反型層變厚

VDS

ID

MOS管(新)（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，

VGD=VGS－VDSVDS為0或較小時(shí)，

VGD=VGS－VDS

＞VT，溝道分布如圖，此時(shí)VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時(shí)，ID隨VDS增大。VDS

ID

MOS管(新)（b）當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用MOS管(新)（2）漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用VDS

ID不變（c）當(dāng)VDS增加到VGD

VT時(shí)溝道如圖所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，ID基本趨于不變MOS管(新)3.輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS<VT以下區(qū)域就是截止區(qū)VGS＜

VTID=0(2)可變電阻區(qū)未產(chǎn)生夾斷時(shí)，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域

VGS-VDS

VP

VDSID

處于飽和區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控可變電阻V-I特性近似為：MOS管(新)其中本征導(dǎo)電因子為反型層中電子遷移率為柵極氧化層單位面積電容vDS/ViD在特性曲線原點(diǎn)附近所以可變電阻區(qū)內(nèi)原點(diǎn)附近輸出電阻為：為受控于VGS的可變電阻MOS管(新)(3)放大區(qū)產(chǎn)生夾斷后，VDS增大，ID不變的區(qū)域，VDS

VGS-

VT

VDSID不變處于飽和區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源在預(yù)夾斷臨界條件下VDS

=VGS-

VT

由此得到飽和區(qū)的V-I特性表達(dá)式：它是時(shí)的MOS管(新)

ID=f(VGS)

VDS=const轉(zhuǎn)移特性曲線iDvGS/VID=f(VDS)

VGS=const輸出特性曲線vDS/ViD4.轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。gm

的量綱為mA/V，稱為跨導(dǎo)。

gm=

ID/

VGS

VDSMOS管(新)5.1.2N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，制造時(shí)在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。MOS管(新)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)

MOSFET中,柵極下導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷后，若繼續(xù)增大VDs，夾斷點(diǎn)會(huì)略向源極方向移動(dòng)。導(dǎo)致夾斷點(diǎn)到源極之間的溝道長(zhǎng)度略有減小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點(diǎn)，導(dǎo)致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使iD增大，這種效應(yīng)稱為溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)

5.1.2溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)MOS管(新)各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型MOS管(新)各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型MOS管(新)5.1.5MOSFET的主要參數(shù)1、開啟電壓VT：在VDS為一固定數(shù)值時(shí)，能產(chǎn)生ID所需要的最小|VGS|值。（增強(qiáng)）2、夾斷電壓VP：在VDS為一固定數(shù)值時(shí)，使ID對(duì)應(yīng)一微小電流時(shí)的|VGS|值。（耗盡）3、飽和漏極電流IDSS：在VGS=0時(shí)，VDS>

|VP|時(shí)的漏極電流。（耗盡）4、極間電容

：漏源電容CDS約為0.1~1pF，柵源電容CGS和柵漏極電容CGD約為1~3pF。一、直流參數(shù)MOS管(新)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)2、低頻互導(dǎo)gm

：表示vGS對(duì)iD的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm

是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由iD的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為S或mS。二、交流參數(shù)1、輸出電阻不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)為0考慮時(shí)為MOS管(新)1、最大漏極電流IDM

2、最大漏極耗散功率PDM

3、最大漏源電壓V(BR)DS

最大柵源電壓V(BR)GS

由V-I特性估算

因?yàn)閯t三、極限參數(shù)MOS管(新)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。MOS管(新)幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表MOS管(新)5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號(hào)模型分析MOS管(新)5.2.1簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋步驟——直流通路VGIDVS5.2MOSFET放大電路1假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有

VGSQ>VT，IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VT2利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：3如果出現(xiàn)VGS<VT，則MOS管可能截至，如果

VDS<VGS-VT，則MOS管可能工作在可變電阻區(qū)。4如果初始假設(shè)被證明是錯(cuò)誤的，則必須作新的假設(shè)，同時(shí)重新分析電路。24MOS管(新)5.2.1簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析（1）直流通路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋VGIDVSVGS=VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VDS=VDD－IDRd若NMOS工作于飽和區(qū)，則

若計(jì)算的VDS>VGS-VT，則說明NMOS確工作于飽和區(qū)；若VDS<VGS-VT，則說明工作于可變電阻區(qū)。工作于可變電阻區(qū)的ID：5.2MOSFET放大電路25MOS管(新)5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋（1）直流通路VS若NMOS工作于飽和區(qū)，則RRsvs+-VGIDVDS=VDD－ID(Rd+R)－Vssv05.2MOSFET放大電路26MOS管(新)gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：即0.5＝0.5(VGS-1)2流過Rg1、Rg2的電流為0.05mAVSRsvs+-VGIDv0得

VGS=

2V27MOS管(新)gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：VSRsvs+-VGIDv0Rg2=45K、Rg1=155K判斷假設(shè)的正確性：VDS=(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V則有：VDS>(VGS-VT)=2-1=1V說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。28MOS管(新)gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號(hào)電壓波形：ωtvi因?yàn)椋簐GS=VGSQ+vi所以vGS的波形為：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20負(fù)載線方程：：iD=-+VDDvDSRdRd是一條過(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直線5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路29MOS管(新)vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSωtωtVDSQ5.2.3NMOS共源極放大電路的圖解分析5.2MOSFET放大電路30MOS管(新)1.NMOS管的小信號(hào)模型雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid工作在飽和區(qū)的漏極電流iD:IDQid＝gmvgs諧波分量越小越好，一般取為0。ig＝0,輸入端相當(dāng)于開路；id＝gmvgs，輸出回路等效成一個(gè)電壓控制電流源。gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路31MOS管(新)場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：求全微分:漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大其中：為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點(diǎn)的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsid變化量由該式可得到場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路1.NMOS管的小信號(hào)模型32MOS管(新)漏極與源極間等效電導(dǎo)，相當(dāng)于輸出特性曲線斜率的倒數(shù)，為無窮大為低頻跨導(dǎo),是轉(zhuǎn)移特性曲線Q點(diǎn)的斜率5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路雙端口網(wǎng)絡(luò)gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因rds很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型:可得到場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路1.NMOS管的小信號(hào)模型33MOS管(新)5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋

首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd34MOS管(新)5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路

首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd35MOS管(新)gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋R

首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路(1)電壓放大倍數(shù)(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=Rd36MOS管(新)gdsBVDDRdRg1Rg2id＋－viCb2＋Cb2v0＋＋Cb2v0＋＋R

首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：v0+rdsgsdgmvgsvgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)電壓放大倍數(shù)取rds為無窮時(shí)：(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻R0=R//rds//gm1推導(dǎo)5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路37MOS管(新)dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg輸出電阻R0的計(jì)算：RsvTiTR0=vTiTiRirvgs=-vTiT=iR+ir-gmvgs5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型5.2MOSFET放大電路38MOS管(新)例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解.若管子工作在飽和區(qū)，則=0.2×(2-1)2=0.2mA可見:說明管子工作在飽和區(qū).39MOS管(新)(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)=2×0.2×(2-1)=0.4mS(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K(3)輸出電阻R0=Rd=15K+-vi例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.40MOS管(新)模型MOS管(新)§5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctiontypeFieldEffectTransister)

5.3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用耗盡層寬度改變導(dǎo)電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結(jié)正偏或正偏時(shí)柵極電流方向。MOS管(新)5.3.2工作原理ID（1）VGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響：VP(VGS(OFF))：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結(jié)，RGS>107

，所以IG=0(a)VGS=0，VDS=0，ID=0

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理：MOS管(新)(c)|VGS|

=

VP

，導(dǎo)電溝道被全夾斷(b)0<

VGS<VP

VGS

耗盡層變寬VGS控制導(dǎo)電溝道的寬窄，即控制ID的大小。MOS管(新)（2）VDS對(duì)iD的影響VDS>0但|VGS-VDS|

<|VP|

，時(shí)(a)VDS增加，d端電位高，s端電位低，導(dǎo)電溝道內(nèi)存在電位梯度，所以耗盡層上端變寬。VDS

ID

IDMOS管(新)工作原理(b)|VGS-VDS|

=|VP|時(shí)，導(dǎo)電溝道在a點(diǎn)相遇，溝道被夾斷。VGS=0時(shí)，產(chǎn)生夾斷時(shí)的ID稱為漏極飽和電流IDSSIDMOS管(新)工作原理(c)VDS

夾端長(zhǎng)度

場(chǎng)強(qiáng)

ID=IDSS基本不變。IDMOS管(新)5.3.2JFET的特性曲線VDS=10V時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線IDSS是在VGS=0，VDS>

|VP|時(shí)的漏極電流

當(dāng)|vGS-vDS|

|

vP|后，管子工作在恒流區(qū)，vDS對(duì)iD的影響很小。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)|vGS-vDS|

|

VP|時(shí)，iD可近似表示為：MOS管(新)①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn):(1)受控