模电助教版第1章常用半导体器件.ppt

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1、1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分:1.IGFET 1.NMOS 增强型(6 种管子)(又称“MOSFET”)耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2.JFET 1.N沟道 2.P沟道,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分:1.IGFET 1.NMOS 增强型(6 种管子)(又称“MOSFET”)耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2.JFET 1.N沟道 2.P沟道,s：Source 源极d：Drain 漏极g：Gate 栅极B：Base 衬底,Metal-Oxid

2、e-Semiconductor,Field Effect Transistor,Insulted Gate Type,Junction Type,。Si P衬底,一、NMOS,N+:。,N+:。,Al极 s g dSiO2 B,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.结构,三区、三极、两结,:,:,:,UDS,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS,Rd,

3、1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)开启电压UGS(th)(或UT)反型层(N型)漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)开启电压UGS(th)(或UT

4、)反型层(N型)漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)开启电压UGS(th)(或UT)反型层(N型)漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“F

5、ET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)开启电压UGS(th)(或UT)反型层(N型)漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,:,:,:,VDD UDS ID,Rd,输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2

6、.工作机理(定性分析),纵向电场垂直电场 横向电场 表面场效应器件 体内场效应器件,(“漏极特性曲线”),ID(mA)UDS=UGSUGS(th)4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS=4V 1 3V UGS(th)=2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,（非饱和区）,ID(mA)UDS=UGSUGS(th)4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS=4

7、V 1 3V UGS(th)=2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,ID(mA)UDS=UGSUGS(th)4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS=4V 1 3V UGS(th)=2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 I

8、D=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,(放大区、饱和区),ID(mA)UDS=UGSUGS(th)4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS=4V 1 3V UGS(th)=2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),:,:,:,VDD UDS ID,Rd,3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,(放大区、饱和区),(夹断区?),ID(mA)UDS=10V 4 2 0 UGS(th)2 4 6 UGS(V),I

9、D(mA)UDS=UGSUGS(th)4 6V 3 可变电阻区 恒流区 5V 2 UGS=4V 1 3V UGS(th)=2V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),3.伏安特性曲线(定量分析),一、NMOS,1.结构,2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,单位 mS（S 西门子）,Al极 s g dSiO2 B,。Si P衬底,二、N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析)伏安特性曲线(定量分析）夹断电压UGS(off)(或UP)饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时,N+:。,N+:。,:,

10、1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,Al极 s g dSiO2 B,。Si P衬底,二、N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析)伏安特性曲线(定量分析）夹断电压UGS(off)(或UP)饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时,N+:。,N+:。,:,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,Al极 s g dSiO2 B,。Si P衬底,二、N沟道耗尽型MOS管 P49 结构 工作机理(定性分析)伏安特性曲线(定量分析）夹断电压UGS(off)(或U

11、P)饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时,N+:。,N+:。,:,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NMOS,三、P沟道MOS场效应管,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分:1.IGFET 1.NMOS 增强型(6 种管子)(又称“MOSFET”)耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2.JFET 1.N沟道 2.P沟道,s：Source 源极d：Drain 漏极g：Gate 栅极B：Base 衬底,Metal-Oxide-Semiconductor,Field Effe

12、ct Transistor,Insulted Gate Type,Junction Type,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)P451.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),FET分:1.IGFET 1.NMOS 增强型(6 种管子)(又称“MOSFET”)耗尽型 2.PMOS 增强型 耗尽型 2.JFET 1.N沟道 2.P沟道,P+N P+,。,d g s,一、NJFET,。,。,。,。,。,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.结构2.工作机理(定性分析),d g s,VGG UGS,P

13、+N P+,。,栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)夹断电压UGS(off)(或UP)RDS=饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,。,。,。,。,。,IG=0RGS=,UDS,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1.结构2.工作机理(定性分析),表面场效应器件 体内场效应器件,d g s,VGG UGS,P+N P+,。,。,。,。,。,。,IG=0RGS=,UDS,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.

14、1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1.结构2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)夹断电压UGS(off)(或UP)RDS=饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,表面场效应器件 体内场效应器件,ID d g s,VGG UGS,P+N P+,。,。,。,。,。,。,IG=0RGS=,UDS,Rd,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),一、NJFET,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),1.结

15、构2.工作机理(定性分析),栅极电压的控制作用(UGS,UDS=0)夹断电压UGS(off)(或UP)RDS=饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时 漏源电压UDS对导电沟道的影响UDS=0时 UDS0时 预夹断,表面场效应器件 体内场效应器件,ID d g s,VGG UGS,P+N P+,。,。,。,。,。,。,IG=0RGS=,UDS,Rd,输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),3.伏安特性曲线(定量分析),一、NJFET,1.结构2.工作机理(定性

16、分析),1.3.2 结型场效应管(“JFET”),表面场效应器件 体内场效应器件,ID(mA)4 IDSS UDS=10V 2 UGS(off)4-2 0 UGS(V),ID(mA)UDS=UGSUGS(off)4 UGS=0V 3 可变电阻区 恒流区 1V 2 2V 1 3V UGS(off)=4V 0 4 10 截止区 20 UDS(V),3.伏安特性曲线(定量分析),一、NJFET,1.结构2.工作机理(定性分析),输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS=C.转移特性曲线 ID=f(UGS)|UDS=C.,单位 mS,一、主要参数开启电压UGS(th)(或UT)夹断电压UGS(off)

17、(或UP)饱和漏极电流IDSS|UGS=0V 时 输入电阻RGS=低频跨导 gm=ID/UGS 二、场效应的主要特点输入电阻RGS=保护措施 电压控制型放大器件(“VCCS”)单极型电子器件,R,1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.3.2 结型场效应管(“JFET”),直流参数,交流参数,极限参数,例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1

18、.3.2 结型场效应管(“JFET”),参考 P58-60,例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.静态工作点(ui=0V时)输入静态点:iI=iGS=IGSQ=0 mA uI=uGS=UGSQ=4.5V 输出静态点:iO=iD=IDQ=？uO=uDS=UDSQ=？,利用:iD=f(uDS)|uGS=4.5V uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),1.静态工作点(ui=0V时)输入静态点:iI=iGS=IGSQ=0 mA uI=uGS=UGSQ=4.5V 输出静态点:iO=iD=IDQ=？uO=uDS=UDSQ

19、=？,利用:iD=f(uDS)|uGS=4.5V uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,1.静态工作点(ui=0V时)输入静态点:iI=iGS=IGSQ=0 mA uI=uGS=UGSQ=4.5V 输出静态点:iO=iD=IDQ=？uO=uDS=UDSQ=？,利用:iD=f(uDS)|uGS=4.5V uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=

20、uDS/Rd VDD/Rd,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,故 IDQ=0.9 mA UDSQ=8.2V,输出回路直流负载线,例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.静态工作点(ui=0V时)输入静态点:iI=iGS=IGSQ=0 mA uI=uGS=UGSQ=4.5V 输出静态点:iO=iD=IDQ=？uO=uDS=UDSQ=？,利用:iD=f(uDS)|uGS=4.5V uO=uDS=VDD iD R

21、d 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),故 IDQ=0.9 mA UDSQ=8.2V,例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,2.动态分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V)输出工作点:iO=iD=IDQ id=0.9 id=？(mA)uO=uDS=UDSQ uds=8.2 uds=？(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),故

22、IDQ=0.9 mA UDSQ=8.2V,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,2.动态分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V)输出工作点:iO=iD=IDQ id=0.9 id=？(mA)uO=uDS=UDSQ uds=8.2 uds=？(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd

23、即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,2.动态分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V)输出工作点:iO=iD=IDQ id=0.9 id=？(mA)uO=uDS=UDSQ uds=8.2 uds=？(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即

24、iD=uDS/Rd VDD/Rd,uGS=uI(V)12V,iD(mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,0.5,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,2.动态分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V)输出工作点:iO=iD=IDQ id=0.9 id=0.9 0.3sin t(mA)uO=uDS=

25、UDSQ uds=8.2 uds=8.2 2.2sin t(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,uGS=uI(V)12V,iD(mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,0.5,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,2.动态分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=

26、UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V)输出工作点:iO=iD=IDQ id=0.9 id=？(mA)uO=uDS=UDSQ uds=8.2 uds=？(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,uGS=uI(V)12V,iD(mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,2.动态

27、分析(令 ui=0.5sin t(V)时)输入工作点:iI=iGS=0 mA uI=uGS=UGSQ ui=4.5 0.5sin t(V),利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,uGS=uI(V)12V,iD(mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,ui=5sint(V)时 大信号 非线性失真 截止区:缩顶,可变电阻区:削顶 最大不失真输出幅度 Q中点,iD(mA)12V 9.5V VDD/Rd=2 mA B 6V 5V IDQ=0.9mA Q 4.5V=UGSQ 4V UGS(th)=3V 0.

28、2 6.0 8.2 10.4 15V A uDS(V)UDSQ VDD,3.电子开关 iI=iGS=0 mA uI=uGS=方波 时,利用:iD=f(uDS)|uGS=uI uO=uDS=VDD iD Rd 即 iD=uDS/Rd VDD/Rd,uGS=uI(V)12V,iD(mA),t,t,t,1.2 mA 0.6 mA,2.2,0.3,反相器 电子开关,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3.2 结型场效应管(“JF

29、ET”),参考 P58-60,反相器 电子开关,1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),参考 P58-60,15,7.5,d,s,g,反相器 电子开关,例:共源极放大电路.分析 iD,uDS.,1.3.4 NMOS应用(“图解法”分析),1.3 场效应晶体三极管(“FET”)1.3.1 绝缘栅场效应管(“IGFET”),1.3.3 场效应管的主要参数和特点,1.3.2 结型场效应管(“JFET”),参考 P58-60,