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文档简介

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PPT1.4 场效应晶体管(FET) 结型场效应管JFET 金属氧化物半导体构成的绝缘栅场效应管MOSFET。1.4.1 JFET的结构、工作原理和特性10/4/20223精选PPTN基底 :N型半导体PP两边是P区G(栅极)S(源极)D(漏极)JFET结构:导电沟道10/4/20224精选PPTNPPG(栅

2、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PPTVDS=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,

3、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-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!P44页:NMOS为例包括D型

4、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10/4/202229精选PPT1.4.3.2 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。条件: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。10/4/202230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

5、线:I区可变电阻区II区恒流区(放大区)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10/4/202232精选PPT1.4.4 耗尽型NMOS管和增强型PMOS管工作原理1.4.4.1 D型NMOSFET工作原理D型NMOS管和E型NMOS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!(见课本对照表。)10/4/202233精选PPT1.4.4.2 E型PMOSF

6、ET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!10/4/202234精选PPT1.4.5 MOSFET的大信号特性方程1.4.5.1 E型NMOSFET1. 可变电阻区条件:vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th)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1.4.4) P4310/4/202235精选PPTvDS很小时(例如vDSVGS

7、(th), vDS=(vGS-VGS(th)以vDS=(vGS-VGS(th)代入式 1.4.4 后,得:可见iD和vGS成平方率关系。(式 1.4.7) P43参见 P41 图 1.4.13 中相应虚线10/4/202237精选PPT3. 恒流区条件:vGSVGS(th), vDS(vGS-VGS(th)iD随vDS增加而稍有斜升,式 1.4.7 可改写成:(式 1.4.8) P44式中:是沟道调制系数,典型值为 0.01V-1参见 P41 图 1.4.1310/4/202238精选PPT1.4.5.2 E型PMOSFET1. 可变电阻区条件:vGSVGS(th), |vDS|vGS-VGS

8、(th)|电流方程: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1.4.9)(式1.4.10)|vDS|很小时:10/4/202239精选PPT2. 恒流区条件:vGS|vGS-VGS(th)|(式 1.4.13)参见 P43 图 1.4.1510/4/202240精选PPT1.4.5.3 D型NMOSFET可变电阻区特性方程:恒流区特性方程:( = 0)D型:VGS(off)与E型:VGS(th)10/4/202241精选PPTD型NMOS管饱和漏极电流IDSS为: 和JFET相同的是,IDSS和VGS(off)是描述它们特性的重要参

9、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。10/4/202242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!10/4/202243精选PPT1.4.6 MOSFET亚阈区的传输特性 实际上,MOS管存在弱反型层,对NMOS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。对数坐标10/4/202244精选PPT亚阈区的特性方程:(式1.4.19)

10、 P46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。10/4/202245精选PPT1.4.7 MOSFET的体效应和背栅控制特性 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。10/4/202246精选PPT对背栅的控制能力通常用跨导比来表示:式中:g

11、mb表示背栅跨导;gm表示转移跨导。背栅控制特性表明了MOS管的四极管作用。1 背栅对iD的控制作用比栅极弱得多。10/4/202247精选PPT1.4.8 FET 的小信号模型1.4.8.1 JFET的小信号模型小信号条件:Vgsm0.1VGS(off)式中:gm是JFET在小信号下工作在放大区时的正向传输跨导。 rds是JFET在放大区的小信号输出电阻。10/4/202248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

12、/202249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。10/4/202250精选PPT集成电路中的JFET小信号模型:10/4/202251精选PPT1.4.8.2 MOSFET的小信号等效模型1. MOS管的等效电容衬底与漏区的势垒电容 Cbd衬底与源区的势垒电容 CbsG极与源区的电容 CgsG极与漏区的电容CgdG极与沟道重叠部分的电容C沟道耗尽区的电容Csc10/4/202252精选PPTMOSFET的小信号交流等效模型:10/4/202253精选PPT跨导的计算增大gm的方法:增大工艺参数W/L和工作电流ID(=0.010.2)10/4/202254精选PPT输出电阻的计算10/4/202255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荷,控制漏极电流。返回10/4/202256精选PPT作业 P58:13-18例题10/4/202257精选PPT随堂小测试(5min)画出JFET的低频小信号模型?等效

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