51金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管.

5场效应管放大电路§5.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管§5.2MOS场效应管放大电路§5.3结型场效应管§*5.4砷化镓金属－半导体场效应管§5.5各种放大器件电路性能比较§5.6SPICE仿真例题15场效应管放大电路27-三端放大器件双极型半导体三极管(BJT)NPN型PNP型单极型半导体三极管（场效应管FET）MOSFETJFET金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管(FET)Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小、质量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而获得广泛应用，特别是MOSFET在大规模集成电路中占有重要的地位。5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管MOSFETNMOSPMOS增强型NMOS(E型NMOS)耗尽型NMOS(D型NMOS)增强型PMOS(E型PMOS)耗尽型PMOS(D型PMOS)5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构N+N+P型衬底BSDG源极漏极栅极SiO2绝缘层PN结动画由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。符号中箭头的方向表示由P(衬底)指向N(沟道)，三条垂直短线表示在未加适当栅压前漏极与源极之间无导电沟道。gdsB25场效应管放大电路27-2.工作原理ID（1）栅源电压vGS的控制作用(a)vGS=0时漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。vGS=0，iD=0vGS必须大于0管子才能工作。5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET35场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管2.工作原理（1）栅源电压vGS的控制作用(a)vGS=0时5.1.1N沟道增强型MOSFET(b)当栅极加有电压时，,,VT称为开启电压若0＜vGS＜VT时VGS++++++------IDVDD在SiO2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限,吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道,将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。0＜VGS＜VT，ID=045场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管2.工作原理（1）栅源电压vGS的控制作用(a)vGS=0时5.1.1N沟道增强型MOSFET(b)当栅极加有电压时，,,VT称为开启电压若0＜vGS＜VT时VGS++++++------IDVDD(c)进一步增加vGS，当vGS≥VT时衬底中更多的电子被吸至栅极下方的P型衬底表层，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。开启电压VT：开始形成反型层的VGS值，称该管的开启电压VT。形成反型层后，若在漏源间加电压vDS，就能产生漏极电流iD，即管子开启。vGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样vDS作用下,iD越大。这样,就实现了输入电压vGS对输出电流iD的控制。55场效应管放大电路27-特性：VGS＜VT，管子截止，VGS＞VT，管子导通。VGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压VDS作用下，漏极电流ID越大。这种在vGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才形成感生沟道的FET称为增强型FET。5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管2.工作原理5.1.1N沟道增强型MOSFET(1)栅源电压vGS的控制作用(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用(a)如果vGS＞VT且固定为某一值AB若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID。当ID从DS流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VGS-VDS=VT，则漏端沟道消失，出现预夹断点。在沟道未被夹断前：VDSID65场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管2.工作原理5.1.1N沟道增强型MOSFET(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用(a)如果vGS＞VT且固定为某一值当漏极处沟道出现预夹断后随着VDS的增加,预夹断点向源极靠近,夹断区加厚,沟道电阻增加,但因VDS的增加和沟道电阻的增加基本一致,故ID基本不变。呈恒流性。动画75场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线iDsgdVDDRDVGSEGSVDSV+mAV(1).转移特性曲线—vGS对iD的控制特性iD=f(vGS)vDS=常数转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V,称gm为跨导。gm=ID/VGSQ（mS)vGS/ViD/mA12342468VTVDS=10V85场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线iDsgdVDDRDVGSEGSVDSV+mAV(2).输出特性曲线—iD=f(vDS)vGS=常数vGS=5VVT时当vDS从0增加时，开始时漏端未出现夹断，随着vDS的增加iD也增加，当vDS增加到使漏端出现预夹断后，随着vDS的增加iD基本不变，表现为恒流性。vGS=5VvDS/ViD(mA)预夹断点：vGD=vTvGS=3VvGS=7VvGD=vGS-vDS=vT预夹断点：vDS=vGS-VT分四个区截至区(夹断区)可变电阻区放大区(恒流区、饱和区)击穿区95场效应管放大电路27-iD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVTVGSVT以下的区域就是截止区截止区导电沟道未形成，iD≈0。5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）105场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线sgdVDDRDVGSEGSVDSV+mA(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）2)可变电阻区D区未产生夹断前，vDS增大，iD随着增大的区域vDS=vGS-VTvGSVT，且vGD=vGS-vDSVT,即vDSvGS-VT处于该区的场效应管相当于一个压控可变电阻dsdsgsdvrvi（）iD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVT截止区115场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线sgdVDDRDVGSEGSVDSV+mA(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）2)可变电阻区vDS=vGS-VTiD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVT截止区处于该区的V-I特性：22()2()DSDnGSTDSnGSTDSiKvVvvKvVv12()DSdsoDnGSTdvrdiKvVKn为电导常数，单位mA/V22noxnCWKL125场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线sgdVDDRDVGSEGSVDSV+mA(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）2)可变电阻区vDS=vGS-VTiD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVT截止区3)放大区(恒流区,饱和区)放大区产生夹断后，vDS增大，iD不变的区域，vGS对iD控制能力强，相当于一个压控电流源。vGSVT(vDSvGS-vT)vGD=vGS-vDSVTvDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。135场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线sgdVDDRDVGSEGSVDSV+mA(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）2)可变电阻区vDS=vGS-VTiD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVT截止区3)放大区(恒流区,饱和区)放大区处于该区的V-I特性：201GSDDTviIVID0是vGS=2VT时的iD，ID0=KnVT2145场效应管放大电路27-5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET3.特性曲线sgdVDDRDVGSEGSVDSV+mA(2).输出特性曲线—1)截止区（夹断区）2)可变电阻区vDS=vGS-VTiD0uDSUGS＝6V4V3V2V5VVT截止区3)放大区(恒流区,饱和区)放大区4)击穿区当vDS进一步增加到一定值，将PN结击穿，id猛增。击穿区155场效应管放大电路27-1.结构和工作原理增强型N沟道MOSFET没有原始导电沟道。vGS=0时,iD=0耗尽型MOSFET则存在原始导电沟道。vGS=0时,iD≠0原始导电沟道的形成：制造时在SiO2绝缘层中掺入了大量金属正离子，形成许多正电中心。这些正电中心在P型衬底表面产生了垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管165场效应管放大电路27-N+N+P型衬底BSDG++++++++++++++++++------------------gdsB由于vGS=0时就存在原始沟道,所以只要此时vDS0，就有漏极电流。如果vGS0,指向衬底的电场加强,沟道变宽,漏极电流iD将会增大。VGSIDVDS若vGS0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。---------+++++++++当vGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失,iD=0,管子进入截止状态，称这一域值电压为夹断电压VP。VP-----+++++=05.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管1.结构和工作原理175场效应管放大电路27-(1)转移特性和输出特性2.V-I特性曲线及大信号特性方程vGS=0VIDSSvGS=-2VvGS=-4VvGS=2VvGS=4VVPvDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)－2－40＋2＋4放大区击穿区IDSS饱和漏极电流可变电阻区截止区5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管VP185场效应管放大电路27-(1)转移特性和输出特性2.V-I特性曲线及大信号特性方程vGS=0VvGS=-2VvGS=-4VvGS=2VvGS=4VvDS/ViD(mA)放大区击穿区可变电阻区截止区5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管(2)特性方程放大区内的特性方程：21GSDDSSPviIV195场效应管放大电路27-5.1.3P沟道MOSFET和N沟道MOSFET相比，P沟道MOSFET也分增强型和耗尽型，但为了能正常工作，PMOS管外加的VDS必须是负值，开启电压VT也是负值，而实际的电流方向为流出漏极，与通常的假定正好相反。gdsBP沟道增强型MOSFETgdsBP沟道耗尽型MOSFET各种场效应管的符号对比MOSFET增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道DSGBDSGBDSGBDSGB各种场效应管的特性曲线对比绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管205场效应管放大电路27-5.1.3P沟道MOSFET绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型各种场效应管的特性曲线对比5.1金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管215场效应管放大电路27-(1)开启电压VT：在VDS为一