北京航空航天大学《电子电路i》第一章-1.4-fet-zqv

1、BECIBIEICPNDGSBJT场效应管FETJFETGSDMOSFET10/4/20221精选PPT内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数10/4/20222精选PPT1.5 场效应晶体管（FET）分类： 结型场效应管JFET 绝缘栅型FET-金属氧化物半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。1.5.1 FET及其分类与BJT区别： FET：多子导电，单极型晶体管 BJT：多子少子均导电，双极型晶体管。10/4/20223精选PPTN基底 ：N型半导体PP两边是P区G

2、(栅极)S(源极)D(漏极)JFET结构：导电沟道1.5.2 JFET的结构、工作原理和特性10/4/20224精选PPTNPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管JFET符号：DGS根据图标判断N或P沟道的方法：找出沟道；找到方向10/4/20225精选PPTPNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管JFET符号：DGS10/4/20226精选PPTNGSDVDSVGSNNIDVDS=0V时PP但当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。JFET工作原理（以N沟道为例）：PN结反偏， |VGS |越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。10/4/20227精选P

3、PTVDS=0时NGSDVDSVGSPPID|VGS |达到一定值时（夹断电压VGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使VDS 0V，漏极电流ID=0A。JFET工作原理（以N沟道为例）：10/4/20228精选PPTNGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN结反压越大。IDVDS0且|VGS | VGS(off) 、VGDVGS(off)时耗尽区的形状。JFET工作原理（以N沟道为例）：沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。VGD = VGS+VSD10/4/20229精选PPTJFET工作原理（以N沟道为例）：GSDVDSVGS|VGS | VGS(off) VGD=VGS

4、(off)时PPIDVDS增大则被夹断区向下延伸。漏端的沟道被夹断，称为预夹断。VGD = VGS+VSD此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，VDS变化时，未夹断区的长度有少量变化，但两端的电压不变，电场强度变化不大，因此ID基本不随VDS的增加而增加，呈恒流特性。10/4/202210精选PPTN沟道JFET在vGS=0时的输出特性曲线：电阻区沟道预夹断恒流区击穿区10/4/202211精选PPTN沟道JFET，VDS对沟道影响 VDS=0，VGS增加时，沟道变化； VGS=0，VDS增加时，沟道变化；10/4/202212精选PPT N沟道JFET伏安特性曲线(a)转移特性曲线 (

5、b)输出特性曲线10/4/202213精选PPT转移特性描述的是：vDS一定时，vGS对iD的控制特性。转移特性方程（不考虑沟道长度调制效应）：式中：IDSS 表示饱和漏极电流。是vGS=0，vDS=|VGS(off)| 时的漏极电流。 VGS(off) 表示夹断电压。是沟道夹断所需的VGS值。结论：iD和vGS成平方律关系，与BJT的输出特性不同。 转移特性曲线10/4/202214精选PPT 输出特性曲线四个区：I区可变电阻区； II区放大区（恒流区）； III区截止区； IV区击穿区；1. 可变电阻区DS极间，预夹断前的沟道体电阻，该体电阻值由vGS控制。10/4/202215精选PPT

6、2. 放大区（恒流区）和JFET的大信号特征方程输出特性曲线上接近平直但稍微斜升的区域。 ID U DS0VGS=0-1V-3V-4V放大区iD随vDS基本不变，但受沟道长度调制效应影响，略呈斜升状。10/4/202216精选PPT考虑沟道长度调制效应以后的JFET大信号特性方程：N沟道JFET：P沟道JFET：上面两式适用于JFET（属于耗尽型）工作在恒流区。10/4/202217精选PPT关于的解释：JFET的各输出特性曲线（与BJT类似）也可向外延伸，共vDS轴交于一点该点电压记做1/ 。对N沟道JFET， 1/ 在iDvDS横坐标负轴上。对P沟道JFET， 1/ 在iDvDS横坐标正轴

7、上。 的典型值为: 102 /V10/4/202218精选PPT 结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3. 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（MOSFET）可以很好地解决这些问题。2. 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。10/4/202219精选PPT MOSFET，是由金属（M），氧化物（O），半导体（S）构成场效应管（FET），故命名为：MOSFET。 MOSFET按照导电沟道的载流子类型可分为N（电子型）沟道MOSFET（简称NMOS管）和P（空穴型）沟道MOSFET（简称PMOS管

8、）；按照导电沟道形成机理，NMOS管和PMOS管有各有增强型（简称E型）和耗尽型（简称D型）两种。 因此，就有四种类型的MOSFET，分别叫做： E型NMOS管 D型NMOS管 E型PMOS管 D型PMOS管1.4 金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET10/4/202220精选PPTPNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDE型NMOS管结构图：DGS根据图标判断N或P型的方法：找出沟道；找到方向1.4.1 MOSFET的结构（增强型N沟道）10/4/202221精选PPTPNNGSD预埋了导电沟道 GSDD型NMOS管结构图：10/4/202222精选PPTNPPGSD

9、N型基底两个P区SiO2绝缘层导电沟道金属铝E型PMOS管结构图：GSD10/4/202223精选PPTNPPGSD预埋了导电沟道 D型NMOS管结构图：GSD10/4/202224精选PPT内容组织二极管BJTFETNPNPNPJFETMOSNP耗尽增强NPNP1.组成结构2.原理条件,状态3.曲线-大信号曲线表达式4.小信号模型模型等效参数5.参数10/4/202225精选PPT1.4.2 MOSFET的工作原理：1.4.2.1 vGS的控制作用自由电子受正电荷吸引向上运动复合掉P型半导体中的空穴，形成空间电荷区vGS增大超过VGS(th)后自由电子的浓度大于空穴浓度，形成N型层（反型层）

10、图1.4.7 0vGSvTH图1.4.8 vTH (vGS-VGS(th)，且vDS为定值的条件下，vGS通过调节导电沟道电阻值控制iD的值，就是转移特性。 转移特性的考察均是在恒流区！P49页(表1)：NMOS为例包括D型和E型10/4/202227精选PPTvGS的控制作用-栅源对沟道的影响演示10/4/202228精选PPTE型NMOS管的转移特性曲线：PNNGSDUDSUGSvGS越大，导电沟道越厚，电阻越小，iD越大P50页(表1)： E型NMOS转移特性10/4/202229精选PPT1.4.2.2 vDS的控制作用vDS使沟道内产生电位梯度从而使沟道的厚度不均匀。沟通已经产生，条

11、件：vGSVGS(th)vDS增加到vGSVGS(th)时，近D端反型层消失，称为预夹断。继续增大vDS，夹断点向S极延伸，夹断点和S极的电压不变。图1.4.9 0vDSvGS-vTH10/4/202230精选PPTvDS的控制作用（漏源对沟道的影响演示）10/4/202231精选PPTE型NMOS管的输出特性曲线：I区线性区II区饱和区(恒流区)III区截止区IV区击穿区保持vGS为不同固定值时，得到iD随vDS变化的一族曲线P50页(表1)： E型NMOS输出特性10/4/202232精选PPT 耗尽型NMOS管和增强型PMOS管工作原理 D型NMOSFET工作原理D型NMOS管和E型NM

12、OS管结构基本相同，区别仅在于导电沟道事先存在，在vGS=0的时候，iD也不等于0。当vGS=VGS(off)时，导电沟道消失，iD=0。vGS=0时iD0E型vGS +4结论：D型-平移关系-E型。转移曲线右移、输出曲线下移。N、P沟道均一样！（见课本表1。）10/4/202233精选PPTE型PMOSFET工作原理E型PMOS管和NMOS管的vGS和vDS电压极性相反，iD方向也相反。输出特性曲线的形状相似输出特性曲线处于第三象限E型NMOSN、P原点对称！D型NMOSD、E平移！总结：D型-平移关系-E型。N、P沟道原点对称。(见表1)思考题：画出D型PMOS的转移曲线和输出曲线！10/

13、4/202234精选PPT1.4.3 MOS管的伏安特性曲线和大信号特性方程一、一阶V/I特性（以 E型NMOSFET为例）(2) 线性区条件：vGSVTH, 0 vDS (vGS-VTH)电流方程：式中：n是管子的增益系数，单位为mA/V2式中：n是NMOS管沟道中电子的迁移率；Cox是氧化层单位面积电容量；W/L 是沟道宽度与长度之比（式1.4.2） P35(1) 截止区条件：vGSVTH10/4/202235精选PPTvDS很小时（例如vDS0.1V），可简化为：可见，vDS一定时，iD和vGS成线性关系。这些特性曲线都近似为直线，直线的斜率由vGS控制10/4/202236精选PPT3

14、. 饱和区（恒流区）条件：vGSVTH, vDS (vGS- VTH)可见iD和vGS成平方率关系。（式 1.4.9）参见 P37 图 1.4.16 中相应虚线。4. 击穿区E型NMOS输出特性10/4/202237精选PPT E型PMOSFET的一阶V/I特性(2) 线性区条件：|vGS|VTH|, 0|vDS|vGS|-|VTH|式中：p是PMOS管沟道中空穴的迁移率；Cox是氧化层单位面积电容量；W/L 是沟道宽度与长度之比（式1.4.11）（式1.4.12）(1) 截止区条件：|vGS|VTH|(2) 饱和区条件：|vGS|VTH|, |vDS|vGS|-|VTH|10/4/20223

15、8精选PPT与和JFET相同的是，IDSS和VGS(off)是描述它们特性的重要参数。JFET和D型NMOS管都是耗尽型，故用相同的符号VGS(off)表示夹断电压。增强型管用VGS(th)表示开启电压。 D型NMOSFET D型PMOSFET10/4/202239精选PPT四种 MOS的关系：曲线关系！E型PMOS。输出特性曲线处于第三象限E型NMOSN、P原点对称！D型NMOSD、E平移！思考题：四种MOS管的表达式有何关系？课后整理成表格形式！10/4/202240精选PPT二、二阶效应 在vBS0的情况下，vBS对导电沟道也有一定的控制能力，这种现象称为体效应或衬底调制效应。vBS通过

16、改变VGS(th)的值改变iD的值，因而vBS对iD有控制作用，B极又称为背栅。背栅如：当vBS0时，加BS间反偏电压，使PN结耗尽区扩展增厚，使得VGS(th)的值增加。1. 背栅控制特性10/4/202241精选PPT2. 沟道长度调制效应 饱和区（恒流区）iD随vDS增加而稍有斜升（式 1.4.19） P40式中：是沟道调制系数，典型值为 0.01V-1条件：vGSVTH, vDS (vGS- VTH)10/4/202242精选PPT1.4.4a FET 的小信号模型 JFET的小信号模型 (补充)小信号条件：Vgsm0.1VGS(off)式中：gm是JFET在小信号下工作在放大区时的正

17、向传输跨导。 rds是JFET在放大区的小信号输出电阻。10/4/202243精选PPT式中：gm0是VGS=0时的跨导。可见，gm是IDSS、VGS(off)和静态工作电流ID决定的。若：ID=1mA，设=0.01V1 则 rds=100k因PN结反偏，rgs数值非常大，108101210/4/202244精选PPTJFET的低频小信号模型：栅源电阻非常大，可近似认为开路数值上为gmvgs的受控电流源输出电阻，沟道长度调制效应引起。10/4/202245精选PPT1.4.4 MOSFET的小信号等效模型10/4/202246精选PPT饱和区（恒流区）增大gm的方法：增大工艺参数W/L和工作电

18、流ID一、跨导gm忽略沟道长度调制效应10/4/202247精选PPT线性区一、跨导gm10/4/202248精选PPT（式1.4.25） P42式中：ID0称为特征电流。 n是与衬底调制有关的因子。约为 1.53 。亚阈区的跨导 gmsub：BJT的跨导 gm：可见，MOS管在亚阈区的放大能力接近于BJT。一、跨导gm亚阈值区 实际上，对MOS管，在vGSVGS(th)时，就已有漏极电流iD。这种现象称为亚阈区导电效应。10/4/202249精选PPT饱和区二、输出电阻ro线性区 当vDS较小时，可等效为电阻。考虑基区宽度调制效应10/4/202250精选PPT式中：gmb表示背栅跨导；gm表示转移跨导。（=1. 11.3）三、背栅跨导gmb10/4/202251精选PPT场效应管（FET）小结特点：电场控制电流-输入电阻高仅多子导电-温度稳定性好类型：结型：JFET N沟道、P沟道绝缘栅型MOSFET ：N沟道D/E；P沟道D/E;原理：JFET利用PN结反向电压控制耗尽层厚度，改变沟道宽窄，控制漏极电流；MOSFET利用栅源电压改变表面感生电