金属氧化物半导体MOS场效应管

5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常WL（动画2-3）5.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS=0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当0vGSVT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当vGS≥VT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压(动画2-4）2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定（vGSVT）时，vDSiD沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布(动画2-5)当vGS一定（vGSVT）时，vDSiD沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用2.工作原理（3）vDS和vGS同时作用时vDS一定，vGS变化时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。（4）正常放大时外加偏置电压的要求:2.工作原理0DSVTVvGSTVvvDSDS3.V-I特性曲线（1）输出特性const.DSDGS)(vvfi①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。3.V-I特性曲线（1）输出特性const.DSDGS)(vvfi②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）])(2[2DSDSTGSnDvvvVKi由于vDS较小，可近似为:DSTGSnD)(vvVKi2常数GSDDSdsoddvvir)(21TGSnVKvrdso是一个受vGS控制的可变电阻3.V-I特性曲线（1）输出特性②可变电阻区DSTGSnD)(vvVKi2)(TGSndsoVKrv21n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子oxnnCμKLWCμLWKK22oxnnn其中Kn为电导常数，单位：mA/V23.V-I特性曲线（1）输出特性③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）2)(TGSnDVKiv221)(TGSTnVVKv21)(TGSDOVIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时的iDV-I特性：3.V-I特性曲线（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDODVIiv5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流5.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线21)(PGSDSSDVIiv21)(TGSDODVIiv（N沟道增强型）5.1.3P沟道MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rdsGSDDSdsVirv5.1.5MOSFET的主要参数DSGSDmVigv2.低频互导gm二、交流参数考虑到2TGSnD)(VKiv则DSDSGS2TGSnGSDm)]([VVVKigvvv)(2TGSnVKvnDTGS)(KiVvDn2iKLWCμK2oxnn其中对于N沟道增强型MOSFET：5.1.5MOSFET的主要参数end三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GS5.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.小信号模型分析*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路3.MOSFET三种基本放大电路比较5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）共源极放大电路直流通路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）DDg2g1g2GSVRRRV2)(TGSnDVVKIdDDDDSRIVV假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV验证是否满足)(TGSDSVVV如果不满足，则说明假设错误须满足VGSVT，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV即dDDDDSRIVVDSTGSnD)(vvVKI2假设工作在饱和区(放大区）满足)(TGSDSVVV假设成立，结果即为所求。解：V2V5406040DDg2g1g2GSQVRRRVmA2.0mA)12()2.0()(22TGSnDQVVKIV2V)152.05(dDDDDSQRIVV例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.nK试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路(例5.2.2）2)(TGSnDVVKI假设工作在饱和区(放大区）：需要验证是否满足)(TGSDSVVVSGGSVVV)()(dDSSDDDSRRIVVV])([SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDVRI5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS2TGSnD)(VVKI（饱和区）VDS＝VD－VS=VDD－IDRD－VS（3）电流源作偏置的NMOS共源极放大电路5.2.1MOSFET放大电路2.小信号模型分析2TGSnD)(VKiv2TgsGSQn)(VVKv2gsTGSQn])[(vVVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK（1）模型DQIgsmvg2gsnvK静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs2(VGSQ-VT)时，DQDIigsmvgdDQiI5.2.1MOSFET放大电路2.小信号模型分析（1）模型DQDIigsmvgdDQiIgsmdvgi=0时其他类型的MOSFET小信号模型，在电路形式上一样，参数计算式有所不同，如gm。2.小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：mA5.0DQIV2GSQVV75.4DSQVmS1mS)12(5.02)(2TGSQnmVVKg（2）放大电路分析（例5.2.5）s2.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）dgsmoRgvv)1()(mgsgsmgsiRgRgvvvvRgRgAmdmio1vvvg2g1i||RRRdoRRsiisiiososRRRAAvvvvvvvvs2.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）)||()||)((dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv1)||(1)||(dsmdsmrRgrRg)()||(1)||(siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgAvvvvvvv共漏2.小信号模型分析（2）放大电路分析g2g1i||RRRmdsmdstto1||||111grRgrRiRv共漏3.MOSFET三种基本放大电路比较(p.221)共源极放大电路共漏极放大电路(源极输出器）共栅极放大电路5.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法5.3.1JFET的结构和工作原理1.结构#符号中的箭头方向表示什么？(动画2-8）2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄。（动画2-9）2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSiDg、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变2.工作原理（以N沟道JFET为例）③vGS和vDS同时作用时当VPvGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，iD的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP综上分析可知•JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。•预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。5.3.2JFET的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性const.GSDDS)(vvfi1.输出特性2PGSDSSD)1(VIiv(VP≤vGS≤0)与耗尽型MOSFET类似3.主要参数5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法1.JFET小信号模型（1）低频（及中频）模型2.动态指标分析（1）中频小信号等效电路2.动态指标分析（2）中频电压增益（3）输入电阻（4）输出电阻忽略rds，ivgsvRggsmv)1(mgsRgvovdgsmRgvmvARgRgmdm1由输入输出回路得则)||(g2g1g3iRRRRdoRRend5.5各种放大电路性能比较N沟道增强型绝缘栅场效应管P沟道增强型1.各类场效应管的特性曲线比较绝缘栅场效应管1.各类场效应管的特性曲线比较N沟道耗尽型P沟道耗尽型结型场效应管1.各类场效应管的特性曲线比较N沟道P沟道双极型三极管场效应三极管噪声较大较小温度特性受温度影响较大受温度影响较小，有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适合于大规模和超大规模集成2.BJT与FET的比较3.各种放大器件电路比较详见教材P.240