13MOS管

场效应管及其基本放大电路一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析场效应管场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。单极型管∶噪声小、抗辐射能力强、低电压工作一.结型场效应管符号结构示意图栅极漏极源极导电沟道返回源极(Souce)用S或s表示N型导电沟道漏极(Drain)用D或d表示P型区栅极，用G或g表示符号符号#符号中的箭头方向表示什么？2.名词与符号Exit栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断uGS可以控制导电沟道的宽度，为什么g-s必须加负电压？UGS（off）夹断电压N沟道结型场效应管夹断电压为负漏-源电压对漏极电流的影响uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）常量DS)(GSDUufi夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）。uDG＞－UGS（off）GS(off)GSDSUuu＞2GS(off)GSDSSD)1(UuIi在恒流区时常量GS)(DSDUufig-s电压控制d-s的等效电阻输出特性常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：----------MOSFETMetalOxideSemi-conductionFieldEffectTransistor，是构成VLSI的基本元件。二.绝缘栅型场效应管MOSuGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启1、P型半导体图1P型半导体半导体的表面场效应2、半导体表面安装一平行金属板图2表面电荷减少图3形成耗尽层耗尽层（高阻区）3、随着电场的增加4、形成反型层图4形成反型层反型层反型层中少子的来源:空间电荷区中晶格热振动产生的电子、空穴对，产生的电子在电场作用下漂移进入反型层;与界面陷阱相关产生的电子在P型半导体上面的金属栅上加由负到正的电压时，就可得到三种偏置状态：积累(accumulation)、耗尽(depletion)、反型(inversion)。积累时硅中多数载流子堆积在硅与二氧化硅界面，耗尽状态时界面不存在载流子，反型时是少数载流子堆积在界面，并使p型半导体n型化。反型成为有效沟道时称为强反型，MOS管正是利用半导体的这种表面效应来工作的。——FETSDG多晶硅有源区金属WL关键参数：沟道长度L沟道宽度W栅氧化层厚度Tox衬底掺杂浓度Nsub源漏pn结结深xjVgsVdsMOS管的直流特性P-Si衬底SGDEdsIds•1、阈值电压（开启电压）——形成强反型状态时的栅极电压称为阈值电压阈值电压VT是MOS晶体管的一个重要的电参数，也是在制造工艺中的重要控制参数。VT的大小以及一致性对电路乃至集成系统的性能具有决定性的影响。影响MOS晶的阈值电压VT的因素:介质的二氧化硅(栅氧化层)中的电荷以及电荷的性质；衬底的掺杂浓度;栅氧化层厚度tOX；栅材料与硅衬底的功函数差。（铝栅的ΦMS为-0.3V，硅栅为+0.8V。所以硅栅NMOS器件相对于铝栅NMOS器件容易获得增强型器件）没有形成反型层，即源和漏之间无导电沟道。P-Si衬底SGDVgsVtnVds无导电沟道VgsVtn晶体管截止P-Si衬底SGD设Vgs保持不变。（1）当Vds=0时，S、D之间没有电流Ids=0，晶体管截止。VgsVtnVds=0导电沟道厚度均匀VgsVtn，源漏电流随源漏电压Vds变化P-Si衬底SGDEdsIdsVgsVtnVds0导电沟道变薄（2）当Vds0时，Ids由S流向D，Ids随Vds变化基本呈线性关系，Vds越高，Ids越大。—晶体管工作在线性状态。P-Si衬底SGDEdsIds沟道刚好夹断，VgsVtnVds=Vgs-Vtn当Vds=Vgs-Vtn时，即Vg-Vd=Vtn,衬底漏道端的栅衬电压恰好不足以行成反型层，沟道恰夹断。（3）当VdsVgs-Vtn时，即Vgs-VtnVds,衬底漏道端的栅衬电压不足以行成反型层，沟道夹断。沟道上的电压降（Vgs-Vtn）基本保持不变，由于沟道电阻Rc正比于沟道长度L，而Leff=L-L变化不大，Rc基本不变。所以，Ids=(Vgs-Vtn)/Rc不变，即电流Ids基本保持不变，出现恒流现象。P-Si衬底SGDEdsIds沟道夹断，进入耗尽层VgsVtnVdsVgs-Vtn（4）当Vds增大到一定极限时，由于电压过高，晶体管被雪崩击穿，电流急剧增加。它是利用电场效应来控制输出电流的大小，使用MOSFET中的注意事项:1.结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底（B)有引线引出。2.原理上MOSFET是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。3.MOSFET在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后余热焊接。1、NMOS管的I~V特性推导NMOS管的电流——电压关系式：P-Si衬底SGDEdsIdsVgsVds（1）线性区：Vgs-VtnVds设：Vds沿沟道区线性分布则：沟道平均电压等于Vds/2由电磁场理论可知：Qc=ɛoɛoxEgWL其中：tox为栅氧厚度ɛo为真空介电常数ɛox为二氧化硅的介电常数W为栅的宽度L为栅的长度toxVdsVtnVgsEg2/)(令：Cox=(ɛoɛox)/tox单位面积栅电容K=Coxn工艺因子βn=K(W/L)导电因子则：Ids=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds——线性区的电压-电流方程当工艺一定时，K一定，βn与（W/L）有关。电子的平均传输时间∝L²。Vds2VdsVtnVgsLWCVdsWL2VdsVtnVgsCQcIdsnoxoxn2oxoxtLt（2）恒流区：Vgs-VtnVdsVgs-Vtn不变，Vds增加的电压主要降在△L上，由于△LL，电子移动速度主要由反型区的漂移运动决定。所以，将以Vgs-Vtn取代线性区电流公式中的Vds得到恒流区的电流—电压表达式：LSDVdsVds-(Vgs-Vtn)Vgs-Vtn22VtnVgsIndsIds=βn[(Vgs-Vtn)-Vds/2]Vds=βn【(Vgs-Vtn)2-(Vgd-Vtn)2】---线性区22VtnVgsInds21---恒流区（3）截止区：Vgs-Vtn≤0Ids=0（4）击穿区：电流突然增大，晶体管不能正常工作。|Ids|输出特性曲线|Vds|0线性区饱和区|Vg5||Vg4||Vg3||Vg2||Vg1|Vgs-t0恒流区转移特性曲线0VtVgs转移特性曲线Ids2、PMOS管I~V特性电流-电压表达式：线性区：Isd=βp|Vds|(|Vgs|-|Vtp|-|Vds|/2)饱和区：Isd=(βp/2)(|Vgs|-|Vtp|)²-VgsGN-Si衬底SDIsd=-IdsIdsVddPP-Vds•MOS管版图GSD3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS＜极性任意，沟道＞极性任意，沟道耗尽型＜，＜沟道＞，＞沟道增强型绝缘栅型＜，＞沟道＞，＜沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuu（1）N沟增强：DGSN+N+P--SiSGDVdsVg=VtIdsVgsVtIds(b)N沟耗尽：DGSN+N+P--SiSGDVdsVg=-VtIdsVgs-VtIdsVg=0耗尽型NMOS管耗尽型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道（C）P沟增强:DGSP+P+N--SiSGDVds(-)Vg=VtpIds(-)Vgs(-)VtpIds(-)（d）P沟耗尽:DGSP+P+N--SiSGDVds(-)Vg=-VtpIds(-)Vgs(-)-VtpIds(-)Vg=0三、场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ)1(RIVUUVIIVU1.基本共源放大电路2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSDQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？3.分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2GS(th)GSQDODQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU为什么加Rg3?其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？即典型的Q点稳定电路四、场效应管放大电路的动态分析DSGSDmUuig近似分析时可认为其为无穷大！根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型2.基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu若Rd=3kΩ，Rg=5kΩ，gm=2mS，则与共射电路比较。?uA3.基本共漏放大电路的动态分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若Rs=3kΩ，gm=2mS，则?uA基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR∥若Rs=3kΩ，gm=2mS，则Ro=?栅极电阻Rg3用于提高电路的输入电阻Ri