模拟电路线性第3章场效应管.ppt

3.2 结型场效应管,3.3 场效管应用原理,3.1 MOS场效应管,第三章 场效应管,概 述,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它比BJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。,场效应管与三极管主要区别：后述。,场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不高，在许多场合不能满足要求。,场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FET靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。三极管是两种载流子导电。,FET优点：输入电阻大（Ri1071012）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。,场效应管：压控电流源器件（ID=gmVGS）。三极管：流控电流源器件（IC=IB）。FET利用输入回路的电压（电场效应）来控制输出回路电流的器件，故此命名。,概 述,3.1 MOS场效应管,N-MOS管与P-MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，导致加在各极上的电压极性相反。,N沟道,P沟道,N-JFET,P-JFET,分类：,金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）,3.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,N-EMOS FET结构示意图,MOS管外部工作条件:两个PN结反偏。N-EMOS管为：,VDS 0(保证栅漏PN结反偏)。,U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。,VGS 0(形成导电沟道)。,1、由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管(M-O-S)。,2、栅极有SiO2绝缘层，或简称 I-G-FET场效应管。,3.1.1 N沟道增强型（EMOS）管,说明,MOS管衬底一般与源极相连使用；,栅极和衬底间形成电容。,一.工作原理,1、沟道形成原理。(1)设VDS=0，当VGS=0时，iD=0。图(a),3.1 绝缘栅型场效应管（MOS管）,(2)当VGS0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b),若VGS0（正栅源电压）,耗尽层，如图(b)所示。,(3)开启电压VGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。,VGS,反型层加厚,沟道电阻变小。,当VGS,耗尽层加宽,反型层,N型导电沟道，,如图(C)所示。,VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。,2、当VGSVGS(th)且一定时，VDS对沟道导电能力iD的影响。图(d),VDS,VGD,沟道变窄,若VGD=VGS(th),预夹断,VDS,（假设VGS VGS(th)且保持不变）,讲P104,VDS,夹断区加长,预夹断前：,ds间呈电阻特性,预夹断后：,VDGVGS(th),iD几乎只由VGS决定，与VDS无关,恒流特性,VDS ID 基本维持不变。,若忽略CLME效应,则近似认为l 不变(即Ron不变)。,因此，预夹断后：,3、若考虑沟道长度调制效应（CLME）,则VDS 沟道长度L略 沟道电阻Ron略。,因此，VDS ID略。,由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：,曲线形状类似三极管输出特性。,MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。,三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件（BJT）。,利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变（感生）导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。,MOSFET工作原理：,总图：NEMOSFET工作原理,N-EMOS管,N-DMOS管,N-MOS管结构及符号,由于N-EMOS管栅极电流为零，故没有输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,二、伏安特性,转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。,（3-1-3）,NEMOS管输出特性曲线,1、非饱和（可变电阻区）,4、击穿区,2、饱和区（线性放大区）,3、截止区,有四个工作区：,ID=f(VDS)VGS=const,NEMOS管输出特性曲线,NEMOS管输出特性曲线,1、非饱和区,特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,当VGS=常数，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；,当VDS=常数，VGS ID，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，又称为可变电阻区（变阻区）。,数学模型：,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：,VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：,其中：W、l 为沟道的宽度和长度。,COX（=/OX）为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当三极管饱和区。,（3-1-5）,（3-1-6）,2、饱和区,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑沟道长度调制效应(CLME)，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。,注意：饱和区（又称有源区）对应三极管放大区。,数学模型：工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：,若考虑CLME，则ID的修正方程：,其中：称沟道长度调制系数，其值与l 有关。,通常=(0.005 0.03)V-1,（3-1-7）,（3-1-8）,饱和漏极电流,VGS=2VGS(th)时的iD,3、截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGS VGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0，ID0,4、击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。,VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。,VDS过大时,MOS管COX很小，当带电物体（烙铁或人）靠近金属栅极时Q大，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。,MOS管保护措施：,分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。,MOS集成电路：,D1 与D2：(1)限制VGS间最大电压。（2）对感 生电荷起旁路作用。,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th)=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。,VDS=5V,转移特性曲线中,ID=0 时对应的VGS值,即开启电压VGS（th）。,三、衬底效应,集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（P沟道）。,若|VUS|,耗尽层中负离子数,因VGS不变（G极正电荷量不变）,ID,根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。,阻挡层宽度,表面层中电子数,四、P沟道EMOS管,N-EMOS管与P-EMOS管工作原理相似。,即 VDS 0、VGS 0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。,不同之处：,电路符号中的箭头方向相反。,特点：散热好，功率大(可达kW以上),3.1.2 耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,2、耗尽型：当VGS0时，存在导电沟道，ID0,1、增强型：当VGS0时，没有导电沟道，ID0,耗尽型管和增强型管的主要区别：,有无原始导电沟道。即：,3.1.2 N沟道耗尽型（N-DMOS）管,说明,N-DMOS管的夹断电压VGS(off)为负值（与N-JFET管相同）；,工作时，VGS在一定范围内可正、可负、可零（一般为负）；,一、NDMOS管结构：,二、N-DMOS管伏安特性,VDS 0，VGS 正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。,DMOS-P与N差别仅在电压极性与电流方向相反。,转移特性,3.1.3 四种MOS场效应管比较：P113,电路符号及电流流向,转移特性,3.1.3 六种场效应管的符号及特性如图所示。P113,N-JFET管,P-JFET管,N-DMOS管,N-EMOS管,P-DMOS管,P-DMOS管,3.1.4 小信号电路模型P112,N-EMOS管简化小信号电路模型(与三极管对照),（2）rds为场效应管输出电阻：,（1）由于场效应管G、S之间开路，IG0，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。,与三极管输出电阻表达式 相似。,将场效应管视为二端口网络,栅、源之间只有电压VGS，而无电流,iD=f(vGS,vDS),取全微分得：,（3-1-9）,令,若信号较小，则gm和rds近似为常数,于是，有,场效应管的低频小信号等效模型如图所示,（3-1-10）,说明,跨导gm由VGS=VGSQ时的转移特性曲线上Q点处切线斜率决定，如图所示,Q,gm,rds为VGS=VGSQ时输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数,Q,理想时,rds=（开路）场效应管简化等效模型,Q,MOS管跨导,利用,得,三极管跨导,通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。,（3-1-13）,（3-1-7）,（2-5-4）,计及衬底效应的MOS管简化电路模型,考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。,gmu称背栅（衬底）跨导：,工程上，为常数，一般=0.1 0.2,（3-1-16）,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,场效应管电路分析方法与三极管的相似，可采用估算法（公式）分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。图解法少用。,3.1.5 MOS管电路分析方法P116,场效应管估算法分析思路与三极管相同，但两种管工作原理不同，故外部工作条件明显不同。,一、估算法,1、MOS管截止模式判断方法,假定MOS管工作在放大模式：,放大模式,非饱和模式（需重新计算Q点）,2、MOS管非饱和与饱和（放大）模式判断方法,a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。,c)联立解上述方程，选出合理的一组解。,d)判断电路工作模式：,若|VDS|VGSVGS(th)|,若|VDS|VGSVGS(th)|,b)利用饱和区数学模型：,3、饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型,VDS极性取决于沟道类型。,N沟道：VDS 0，P沟道：VDS 0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型。,增强型MOS管：VGS 与VDS 极性相同。,耗尽型MOS管：VGS 取值任意。,饱和区数学模型与管子类型无关。,（3-1-7）,MOS管,临界饱和工作条件,非饱和区（可变电阻区）工作条件,|VDS|=|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,|VDS|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,饱和区（放大区）工作条件,|VDS|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,非饱和区（可变电阻区）数学模型,（3-1-5）,MOS管,N-EMOS直流简化电路模型(与三极管相对照),（1）场效应管G、S之间开路，IG0。,三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on)。,（2）FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：,三极管输出端等效为流控电流源，满足IC=IB。,（3-1-7）,例1 已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求ID,解：,假设T工作在放大模式（?区）,带入已知条件解上述方程组得：,VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V,因此,验证得知：,VDS VGSVGS(th)，,VGS VGS(th)，,假设成立。,（3-1-7）,例2：（3-1-7）,3.1.5 分析方法：P116,二、小信号等效电路法,FET小信号等效电路分析法与三极管相似。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路。,将FET用小信号电路模型代替。,计算微变参数gm、rds,注：具体分析将在第四章中详细介绍。,3.2 结型场效应管（JFET）,N沟道管,P沟道管,实际结构及符号如下图所示。,P-JFET除偏置电压极性、载流子类型与N-JFET不同外，其工作原理完全相同，因此，只讨论N-JFET。,类型,MOSFET利用VGS大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流大小。JFET利用PN结反向电压来控制耗尽层厚度，改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流大小。,3.2 N-JFET结构和工作原理,1.结构,N型导电沟道,漏极D(d),沟道电阻 长度、宽度、掺杂,反偏的PN结 反偏电压控制耗尽层,结构特点:,栅极G(g),导电沟道,源极S(s),N型,N沟道JFET管外部工作条件,VDS 0(保证栅漏PN结反偏),VGS 0(保证栅源PN结反偏),3.2.1 JFET管工作原理,VGS对沟道宽度的影响：,若VDS=0,VGS对沟道的控制作用（VDS=0）,VGS=0,VGS0(反偏),耗尽层加宽厚,|VGS|增加,沟道变窄,沟道电阻增大,全夹断（夹断电压）,|uGS|,uGS称为夹端电压UGS(off)VP,沟道电阻为,VDS很小时 VGD VGS,由图 VGD=VGS-VDS,因此 VDSID线性,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时,Ron ID 变慢。,VDS对沟道的控制（假设VGS 一定）,此时W近似不变，,即Ron不变。,沟道变窄,讲P119,当VDS增加到使VGD 并=VGS(off)时，A点出现预夹断。,若VDS 继续A点下移出现夹断区。,此时 VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）,若忽略CLME，则近似认为l 不变（即Ron不变）。,VDS,夹断区加长,ds间呈电阻特性,预夹断后：,VDGVGS(off),ID几乎只由VGS决定，与VDS无关,恒流特性,预夹断前：,VGS 一定 ID 基本维持不变。,2.工作原理,VDS对沟道的影响（VGS一定）,VDS ID,GD间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,呈楔形分布。,VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,VDS 夹断区延长,但ID基本不变。,工作原理,VGS和VDS同时作用时。,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。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高，虽然可达107以上，但在某些场合仍不够高。,小结：结型场效应管的缺点：,在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,与MOSFET工作原理相似，都是利用电场效应，通过变化VGS，改变阻挡层宽、或窄，从而改变导电沟道宽、或窄，从而控制漏极电流ID。不同之处：导电沟道形成的原理不同。,JFET工作原理：,一、非饱和区(可变电阻区),特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,3.2.2 N-JFET输出伏安特性曲线（族）,线性电阻:,预夹断轨迹,VDS=VGS-VGS(off),即VGD=VGS(off),四个工作区。,a.iDVDS（VGS一定）,（3-2-2）,b.VGS,RDS,二、饱和区(放大区，又称恒流区）,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。,数学模型：,在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。,（3-2-3）,三、截止区,特点：,沟道全夹断的工作区。,条件：,VGS VGS(off),IG0，ID=0,四、击穿区,VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿。,造成 ID剧增。,VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小,击穿电压V(BR)DS：V(BR)DSVGS-V(BR)GD,JFET转移特性曲线,同MOS管一样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。,ID=0 时对应的VGS值 夹断电压VGS（off）。,VGS=0 时对应的ID 值 饱和漏电流IDSS。,1、转移特性,2、电流方程,(VGS（off)VGS-VGS(off),注意,P沟道管VGS0,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。,最大漏极功耗PDM,最大漏源电压V(BR)DS,最大栅源电压V(BR)GS,JFET电路模型同MOS管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。,JFET电路模型,利用,得,1.JFET小信号模型,（1）低频模型,JFET放大电路的小信号模型分析法,JFET放大电路的小信号模型分析法,（2）高频模型,一、场效应管放大电路的特点,1.场效应管是电压控制元件；,2.栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；,3.噪声小，受外界温度及辐射影响小；,4.制造工艺简单，有利于大规模集成；,5.跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。,6.沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,总结：,二、表3.1 场效应管与晶体管的比较,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 较小，可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 适宜大规模和超大规模集成,C与E不可互换使用 D与S可互换使用,二、表3.1 场效应管与晶体管的比较,三、各类FET管VDS、VGS极性比较,VDS极性与ID流向仅取决于沟道类型,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下：,N沟道FET：VDS 0，ID流入管子漏极。,P沟道FET：VDS 0，ID自管子漏极流出。,JFET管：VGS与VDS极性相反。,场效应管与三极管性能比较,三、表3.2 场效应管偏置电压的极性,N-EMOS管GD相连构成有源电阻,3.3.1 有源电阻,3.3 场效应管应用原理,N-EMOS管工作在饱和区。,伏安特性：,N-DMOS管GS相连构成有源电阻,因此，当 vDS 0 vGS(th)时，管子工作在饱和区。,伏安特性即vGS=0 时的输出特性。,当vGS=0 时，电路近似恒流输出。,有源电阻构成分压器,若两管n、COX、VGS(th)相同，则,联立求解得：,调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。,复习,1.N-JFET管,（1）特性曲线,（2）电流方程,（工作于恒流区）,(3-2-3),（1）特性曲线,（2）电流方程,2.N-EMOS管（无原始导电沟道）,（工作于恒流区）,(3-1-7),3.N-DMOS管（有原始导电沟道）,（1）特性曲线,（2）电流方程,（工作于恒流区）,注意,P沟道管VGG和VDD的极性应与N沟道管的相反。,增加场效应管放大电路的三种接法:,共源接法,共漏接法,共栅接法（极少用）,N-EMOS管放大器静态Q点的设置方法及分析计算,（以共源电路为例）,一、基本共源电路,1、电路组成,N-EMOS管：放大,栅极电源VGG,要求：VGGVGS(th),漏极电源VDD：,要求：VDSVGS-VGS(th),Rd：,将电流的变化转化成电压的变化.,类似例2:（3-1-7）,2、静态Q点的确定,图解法,令,则,VGSQ=VGG,输出特性曲线,VDS=VDD-iDRd,交点Q,IDQVDSQ,存在问题：双电源供电。,估算法,VGSQ=VGG，,VDSQ=VDD-IDQRd,二、分压式偏置电路,1、静态Q点的确定,静态时,于是，有,说明,Rg3的作用是为使Ri增大,类似例1：(3-1-7),2、图解法,由式,可做出一条直线，,另外，iD 与 uGS 之间满足转移特性曲线的规律，二者间交点为静态工作点，确定 UGSQ，IDQ。,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线，与 uGS=UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。,UDSQ,uDS=VDD iD(RD+RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,三、自给偏压电路,1.结型场效应管放大电路。,（1）电路组成：自给偏压。,（2）静态Q点的确定：,静态时,2.DMOS管放大电路。,静态时,增加3.1.6 场效应管的主要参数,一、直流参数：,1）开启电压VGS（th),2）夹断电压VGS（0ff),3）饱和漏极电流IDSS,4）直流输入电阻RGS（DC）,E-MOS管的参数,结型管和D-MOS管的参数,对于耗尽型管，在VGS=0时产生预夹断时的iD定义为IDSS。,结型管：RGS(DC)107,MOS管：RGS(DC)109,二、交流参数,1）低频跨导gm,2）极间电容：Cgs、Cgd、Cds,恒流区时：,说明,gm是转移特性曲线上某点切线的斜率；,iD,gm,三、极限参数,3）最大耗散功率 PDM,1）最大漏极电流 IDM,2）击穿电压：V(BR)DS、V(BR)GS,VGS=,VDS=,VDD,-ID(Rd+R),-IDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,VP,1、静态工作点图解,FET的直流偏置电路及静态分析,Q点：,VGS、,ID、,VDS,VGS=,VDS=,已知VP，由,VDD,-ID(Rd+R),-IDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,FET的直流偏置电路及静态分析,2、静态工作点计算,Rg1、Rg2：栅极偏置电阻，Rs：源极电阻，Rd：漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。要求：结型场效应管栅源间PN结反偏工作，无栅流，JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。,例3：直流分析：用（3-2-3）,根据图可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,（3-2-3）,例3：直流分析：用（3-2-3）,