北京航空航天大学《电子电路i》第一章-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PPT1.4 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