第三章模拟集成电路

第三章模拟集成电路第一页，共五十二页，2022年，8月28日第三章场效应管及基本放大电路MOS场效应管结型场效应管场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管基本放大电路第一节第二节第三节第四节第二页，共五十二页，2022年，8月28日第一节MOS场效应极管场效应管：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。1.根据载流子来划分：N沟道器件：电子作为载流子的。P沟道器件：空穴作为载流子的。2.根据结构来划分：

结型场效应管JFET：

绝缘栅型场效应管IGFET：第三页，共五十二页，2022年，8月28日(一)

增强型MOSFET结构N沟道增强型MOSFET的结构如图：D为漏极，相当C；

G为栅极，相当B；

S为源极，相当E。

一、N沟道增强型MOS场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管MOSFET分为：

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道N沟道增强型MOSFET结构示意图栅压为零时有沟道栅压为零时无沟道P型硅作衬底浓度较低引出电极B在P型衬底上生成SiO2薄膜绝缘层引出电极G极用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极：S极和D极第四页，共五十二页，2022年，8月28日由于BS短接,G与衬底B间产生电场，电子被正极板吸引,空穴被排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子——电子，将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍不能形成漏极电流ID。1．栅源电压UGS的控制作用漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。即:ID=0（二）工作原理(1).当UGS=0V时:(2).0＜UGS＜UT时:第五页，共五十二页，2022年，8月28日(3).当UGS=UT:(UT称为开启电压)1.在UGS=0V时ID=0;2.只有当UGS＞UT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。出现反型层,与N形成一体,形成导电沟道;当UDS＞0时:D沟道S之间形成漏极电流。(4).当UGS＞UT:(UT称为开启电压)随着UGS的继续增加，沟道加厚，沟道电阻，ID将不断（续）工作原理结论第六页，共五十二页，2022年，8月28日(1).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。(2).gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：图03.14转移特性曲线gm=ID/UGS

UDS=const(单位mA/V)（三）特性曲线UGS对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线ID=f(UGS)UDS=const1.转移特性曲线如图：第七页，共五十二页，2022年，8月28日(1).UGS<UT时：沟道未形成，ID=0管子处于截止状态(2).UGSUT时：沟道形成，ID>0随UGS沟道加厚沟道电阻

ID

UDS正向减小，曲线右移，但UDS不同的曲线差别很小在恒流区转移特性曲线中ID与UDS的关系为：ID=K(UGS-UT)2

;式中K为导电因子ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L短沟道时：ID=K(UGS-UT)2(1+UDS)第八页，共五十二页，2022年，8月28日且UGS固定为某一很小值时：UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。图03.15(a)漏源电压UDS对沟道的影响(动画2-5)2．输出特性曲线

此时有如下关系:

（1）可变电阻区UGS＞UT:反映了漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID=K(UGS-UT)2UDS由上式可知:UGS一定恒流区内：Ron=

dUDS/

dID|dUGS=0Ron=

L

/

nCOXW(UGS-UT)1.UGS恒定时近似为常数。2.Ron随UGS而变化，故称可变电阻区。第九页，共五十二页，2022年，8月28日图03.16漏极输出特性曲线第十页，共五十二页，2022年，8月28日当UDS=

UGS-UT时:(由于的存在，导电沟道不均匀)此时漏极端的导电沟道将开始消失（称预夹断）(2)恒流区：UDS=0或较小时:(即UGD＞UT)当UGS一定时：ID随UDS基本不变，ID恒定称恒流区。当UDS>UGS-UT时:随UDS夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端，ID不随UDS而变。(3)击穿区：当UDS增加到某一临界值时，ID（急剧）即D与衬底之间击穿。第十一页，共五十二页，2022年，8月28日漏源电压UDS对沟道的影响图03.16漏极输出特性曲线当UGS＞UT，且固定为某一值时:

UDS对ID的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线。第十二页，共五十二页，2022年，8月28日UGS＜0时；随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。

N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，(二)N沟道耗尽型MOSFET

当UGS=0时；正离子已感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。(a)结构示意图在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。当UGS＞0时；将使ID进一步增加。第十三页，共五十二页，2022年，8月28日图03.17N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线:如图所示第十四页，共五十二页，2022年，8月28日N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线:图03.18N沟道耗尽型的输出特性曲线第十五页，共五十二页，2022年，8月28日P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同。区别是导电的载流子不同，供电电压极性不同。同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。(三)P沟道耗尽型MOSFET第十六页，共五十二页，2022年，8月28日场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道不同，以及增强型还是耗尽型,可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于下图之中。2.伏安特性曲线第十七页，共五十二页，2022年，8月28日图03.18各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第十八页，共五十二页，2022年，8月28日绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型第十九页，共五十二页，2022年，8月28日结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型第二十页，共五十二页，2022年，8月28日第二节结型场效应三极管JFET的结构与MOSFET相似，工作机理也相同。如图:在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹一个N型沟道的结构。P区即为栅极;N型硅的一端是漏极;另一端是源极。图03.19结型场效应三极管的结构一.结型场效应三极管的结构:栅极漏极源极第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日

二.结型场效应三极管的工作原理结型场效应管没有绝缘层，只能工作反偏的条件下。N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区。P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日

①栅源电压对沟道的控制作用4.当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP、这一过程如图02.20所示。

1.当UGS=0时:耗尽层、沟道宽，沟道电阻小，N区电子随UDS

，产生

ID并。

2.当UGS＜0时（即负压）时:PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。

3.当UGS继续减小（即负压）：沟道继续变窄，，并在极附近耗尽层相遇，称预夹断，ID继续减小直至为0。第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日图02.21漏源电压对沟道的控制作用第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日

②漏源电压对沟道的控制作用当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)时；在紧靠漏极处出现预夹断，所示。当UDS继续增加；漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应管十分相似，见图03.15。当UGS＞UGS(off)；若漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布，所示。第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日

(三)结型场效应三极管的特性曲线它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线：输出特性：第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日第三节场效应管的主要参数和微变等效电路一场效应管的直流参数二场效应管的微变参数三场效应管的型号四场效应管的微变等效电路第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电的绝对值,场效应管不能导通(即IG=0)。夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流为零时,UGS=UP耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。一场效应三极管的直流参数①开启电压UT②夹断电压UP③饱和漏极电流IDSS

④场效应管栅源输入电阻RGS：栅源间加固定电压UGS栅极电流IGS之比，输入电阻的典型值:结型场效应管，反偏时RGS约大于107Ω，绝缘栅场效应管RGS约是109～1015Ω。漏源、栅源击穿电压BUDS、

B

UGS第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日①低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mA/V或mS(毫西门子)。二场效应管的微变参数(1).图解法求解：在曲线上作切线，其斜率为gm第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日(2).解析法求解：增强型MOSFET:gm=1/Ron耗尽型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up②衬底跨导gmb

③漏极电阻rdS：可在输出特性曲线上求解第三十页，共五十二页，2022年，8月28日④导通电阻Ron：极间电容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流区：下表列出了MOS管参数第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日表3-2常用场效应三极管的参数第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日

三场效应管的微变等效电路1.低频等效电路：Ugs+-gmUgs1/gds

+-Ugs+IdFET低频微变等效电路（dUBS=0）第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日2.高频等效电路：FET高频微变等效电路（dUBS=0）UgsGSgmUgs1/gds

DSUgsIdCdsCgs第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日双极型和场效应型三极管的比较第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日双极型和场效应型三极管的比较(续)第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日第四节场效应管的基本放大电路一场效应管的偏置电路二外加偏置电路三三种基本放大电路四三种接法基本放大电路的比较第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日一场效应管的偏置电路（一）自给偏置电路：(1).UGS=

0时：IS=IDRS两端电压为：US=ISRS(2).由于IG=0;UG=0:

UGS=

-ISRS=-IDRS由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。1.基本型自给偏置电路：基本型自给偏置电路第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日2.改进型自给偏置电路：(1).由R1=R2分压，给RG一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。(2).对于耗尽型FET：

UGS=EDR2/(R1+

R2)-IDRS此时：RS大Q点不会低。改进型自给偏置电路ID=IDSS[1－(UGS/Up)]2第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日（二）外加偏置电路：外加偏置电路对于增强型MOSFET:UGS=

0时：ID=0(1).此时靠外加偏压：UGS=EDRL/(R1+

R2)(2).改进型外加偏压：UGS=EDRL/(R1+

R2)-IDRS对于JFET,须保证|US|>|US|时，放大器具有正确的偏压。耗尽型以自给偏压为主第四十页，共五十二页，2022年，8月28日二三种基本放大电路结型共源放大器电路电压增益为:1.未接CS时:等效电路如图:一般

rds>>

RDRL>>RS;rds可忽略.（一）共源组态基本放大器第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日放大器的输入电阻为:放大器的输出电阻为:ri’=RG+(R1//R2)RGro’RD2.接入CS时:Ugs-gmUgsrds

+-Uo+GUiRDRLR1RGR2SDri'ro'AU

-gmRD’ri’=RG+(R1//R2)RGro’=RD//rdsRD第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日结型共漏放大器电路电压增益为:其等效电路如图:（二）共漏组态基本放大器共漏放大器电路如图:ri’=

RG输入电阻为:式中:Rs’=rds//Rs//RLRs//RL>>1第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日求输入电阻:1.画等效电路：令Ui=0、RL开路；在输出端加测试电压Uot2.求输入电阻:Ugs=-Uot;Iot=Uot(1/Rs+gm)根据输出电阻的定义：ro'

=Uot/Iot=Rs//

（1/

gm）第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日（三）共栅组态基本放大器其等效电路如图:共栅放大器电路如图:-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24.共栅放大器典型电路电压增益为:式中:RD’=RD//RL3-22.共栅放大器等效电路(电流源)3-22.共栅放大器等效电路(电压源)第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日ri’=

Rs//ri输入电阻为:-gmrdsUirds

+-Uo+GUiRD’RsSDId

+-3-22.共栅放大器等效电路(电压源)ri’riri=

Ui//Id1/gm当rds>>RD’,gm

rds>>1时：所以：ri’Rs//（1/gm）输出电阻为:ro’RD//rdsRDro’第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日表3-3FET三种组态性能比较第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日一共源组态基本放大电路场效应管共源基本放大电路，可与共射组态的晶体管放大电路相对应。区别是场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。图03.28结型共源组态