模电11.1.1012讲第五章mosfet

1、模拟电子技术基础第十二讲15.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管5.2 MOS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5.6 SPICE仿真例题 MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING COLLEGE OF SANDONG AGRICULTURAL UNIVERSITY5 场 效 应 管 放 大 电 路2三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-Semicond

2、uctor Field Effect Transistor3 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。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)41.结构N+N+P型衬底BSDG源极漏极栅极SiO2绝缘层PN结动画5.1.1 N沟道增强型MOSFET由于栅极与源极、漏极均无电

3、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。gdsB52.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结反偏，所以不存在导电沟道。 vGS =0， iD =0vGS必须大于0管子才能工作。5.1.1 N沟道增强型MOSFET65.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1) 栅源电压vGS的控制作用 (b) 当栅极加有电压时 VGS若0vGSVT时,VT 称为开启电压 在SiO2介质中产生一个

4、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。ID0VGSVT ， ID=075.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1) 栅源电压vGS的控制作用 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。VGSID+-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。(c)进一步增加vGS，当vGSVT时

5、85.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1) 栅源电压vGS的控制作用VGSID+-(c)进一步增加vGS，当vGSVT时 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。 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。9105.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(1) 栅源电压vGS的控制作用小结特性： 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

6、。5.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用如果vGSVT且为某一值 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。115.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用如果vGSVT且为某一值 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：VDS ID12

7、5.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用如果vGSVT且为某一值 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135.1.1 N沟道增强型MOSFET2.工作原理(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用小结特性： VGS VT，管子截止，ID=0 VGS VT，管子导通： VGS 定值，VDS较小时，ID随VDS的增加而增加，当VDS较大时，ID基本不变表现为恒流性。143.特性曲线155.1.1 N沟道增强型MOSFET

8、 特性曲线是MOS内部结构的外部表现，是反映了MOS的输出电压(漏极电压)与输出电流(漏极电流)、输入电压(删源电压)与输出电流(漏极电流)之间的关系。(1).转移特性曲线 (2).输出特性曲线3.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/VGSQ （mS)vGS/ViD/mA12342468VTVDS=10V 转移特性曲线分三段165.1.1 N沟道增强型MOSFETiDsgdVDDRDV

9、GSEGSVDSV+mAV 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。173.特性曲线(2).输出特性曲线 5.1.1 N沟道增强型MOSFETvDS/ViD(mA)预夹断点：vGD=vTvGS=5ViDsgdVDDRDVGSEGSVDSV+mAV iD=f(vDS)vGS=常数vGS=5VVT时 用同样的方法可以作出： vGS=7V; vGS=5V； vGS=0V183.特性曲线(2).输出特性曲线 5.1.1 N沟道增强型MOSFETv

10、DS/ViD(mA)预夹断点：vGD=vTvGS=5VvGS=7VvGS=3VvDS=vGS-VTvGD=vGS- vDS=vT预夹断点：vGS=0ViDsgdVDDRDVGSEGSVDSV+mAV iD=f(vDS)vGS=常数vGS=5VVT时193.特性曲线(2).输出特性曲线 5.1.1 N沟道增强型MOSFETvDS/ViD(mA)预夹断点：vGD=vTvGS=5VvGS=7VvGS=3VvDS=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vGS=0ViD0uDSUGS6V4V3V2V5VVTVGSVT，且vGD=vGS-vDSVT,即vDSVT(vD

11、SvGS-vT)vGD=vGS-vDS0，就有漏极电流。 如果vGS 0,指向衬底的电场加强,沟道变宽,漏极电流iD将会增大。VGSIDVDS 若vGS |VP |时的漏极电流。（耗尽）直流输入电阻RGS ：漏源短接时，从栅源看进去的电阻RGS。MOS管的RGS可达1091015一、直流参数5.1.5 MOSFET的主要参数32(2) 低频跨导 gm ： 在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。二、交流参数(1) 输出电阻 rds即，输出特性曲线斜率的倒数。近似估算公式：gm=2Kn(vGS-VT)表示vGS对iD的控制作用。335.1

12、.5 MOSFET的主要参数(1) 最大漏极电流 IDM (3) 漏源击穿电压 V(BR)DS (2) 最大漏极耗散功率 PDM 三、极限参数(4) 栅源击穿电压 V(BR)GS 345.1.5 MOSFET的主要参数场效应三极管的型号场效应三极管的两种命名方法。 其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。35几种常用的场效应三极管的主要参数表36本 讲 小 结2 N沟道耗尽型MOSFET4 MOSFET的主要参数3 P沟道耗尽型MOSFET1 N沟道增强型MOSFET结构、工作原理、特性曲线37 例 题 讲 解3.场效应管从结构上分成 和 两大类型。它们的 导电过程仅仅取决于 载流子