模电-电子线路线性部分第五版-主编-冯军-谢嘉奎第三章课件教学讲义课件

模电-电子线路线性部分第五版-主编-冯军-谢嘉奎第三章课件概述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：

场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。

场效应管是单极型器件(三极管是双极型器件)。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管第3章场效应管3.1MOS场效应管P沟道(PMOS)

N沟道(NMOS)

P沟道(PMOS)N沟道(NMOS)MOSFET增强型(EMOS)

耗尽型(DMOS)

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。第3章场效应管

VDS

对沟道的控制(假设VGS>VGS(th)

且保持不变)

VDS

很小时→VGD

VGS。此时W

近似不变，即Ron

不变。由图

VGD=VGS-VDS因此VDS

→ID

线性。

若VDS→则VGD→近漏端沟道W

→Ron增大。此时Ron

→ID变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章场效应管当VDS

增加到使VGD=VGS(th)

时→A点出现预夹断若VDS

继续

→A点左移→出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l不变(即Ron不变)。因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS

→ID

基本维持不变。

第3章场效应管若考虑沟道长度调制效应则VDS→沟道长度l→沟道电阻Ron略。因此VDS→ID

略。由上述分析可描绘出ID

随VDS变化的关系曲线：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。第3章场效应管

MOS管仅依靠一种载流子(多子)导电，故称单极型器件。三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：第3章场效应管由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线：ID=f

(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f

(VDS)VGS=常数输出特性：

伏安特性+TVDSIG

0VGSID+--转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。第3章场效应管

NEMOS管输出特性曲线非饱和区特点：ID同时受VGS与VDS的控制。当VGS为常数时，VDS

ID近似线性

，表现为一种电阻特性；当VDS为常数时，VGS

ID

，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非饱和区又称为可变电阻区。

第3章场效应管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V数学模型：此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：VDS很小MOS管工作在非饱和区时，ID与VDS之间呈线性关系：其中，W、l为沟道的宽度和长度。COX

(=

/

OX,SiO2层介电常数与厚度有关)为单位面积的栅极电容量。注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。第3章场效应管饱和区特点：

ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。第3章场效应管数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：其中，

称沟道长度调制系数，其值与l有关。通常

=(0.005~0.03)V-1第3章场效应管截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作区域。IG

0，ID

0

击穿区

VDS

增大到一定值时

漏衬PN结雪崩击穿

ID剧增。

VDS

沟道l

对于l较小的MOS管

穿通击穿。第3章场效应管由于MOS管COX很小，因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2

绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。MOS管保护措施：分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：TD2D1D1、D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。第3章场效应管

NEMOS管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS

=5V转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用，可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。第3章场效应管

衬底效应集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位(N沟道)或最高电位(P沟道)。若|VUS|

-+VUS耗尽层中负离子数

因VGS

不变(G极正电荷量不变)

ID

VUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度

表面层中电子数

第3章场效应管

P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-NN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加电压极性相反、电流ID流向相反。不同之处：电路符号中的箭头方向相反。SGUDID第3章场效应管3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOS

DMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在对比增强型？沟道线是实线第3章场效应管

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>0，VGS正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。第3章场效应管3.1.3四种MOS场效应管比较

电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第3章场效应管

饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型

VDS

极性取决于沟道类型N沟道：VDS>0，P沟道：VDS<0

VGS

极性取决于工作方式及沟道类型增强型MOS管：VGS与VDS极性相同。耗尽型MOS管：VGS取值任意。

饱和区数学模型与管子类型无关第3章场效应管临界饱和工作条件非饱和区(可变电阻区)工作条件|VDS|=|VGS

–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–

VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，饱和区(放大区)工作条件|VDS|<|VGS–

VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，非饱和区(可变电阻区)数学模型第3章场效应管

FET直流简化电路模型(与三极管相对照)

场效应管G、S之间开路，IG

0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on)。

FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：

三极管输出端等效为流控电流源，满足IC

=

IB

。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB

+-第3章场效应管3.1.4小信号电路模型

MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)

gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-

rds

为场效应管输出电阻：

由于场效应管IG

0，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，故输入电阻rb

e较小。与三极管输出电阻表达式rce1/(ICQ)相似。rb

ercebceibic+--+vbevcegmvbe第3章场效应管（

——沟道长度调制系数，

=－1/|VA|）

MOS管跨导通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。第3章场效应管计及衬底效应的MOS管简化电路模型（衬底与源极不相连）考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上

为常数，一般

=0.1~0.2。第3章场效应管

MOS管高频小信号电路模型当高频应用、需考虑管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs栅源极间平板电容漏源极间电容(漏衬与源衬之间的势垒电容)栅漏极间平板电容第3章场效应管场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。3.1.5MOS管电路分析方法场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。估算法第3章场效应管

MOS管截止模式判断方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非饱和模式(需重新计算Q点)N沟道管：VGS<VGS(th)P沟道管：VGS>VGS(th)截止条件非饱和与饱和(放大)模式判断方法a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用饱和区数学模型：第3章场效应管例1已知

nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假设T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M

4k

TSRG1RG2RDRS0.8M

10k

GID代入已知条件解上述方程组得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD

-

ID(RD+RS)=6V因此验证得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假设成立。第3章场效应管小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路；将FET用小信号电路模型代替；计算微变参数gm、rds；注：具体分析将在第4章中详细介绍。第3章场效应管3.2结型场效应管

JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD第3章场效应管

N沟道JFET管外部工作条件VDS>0(保证栅漏PN结反偏)VGS<0(保证栅源PN结反偏)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第3章场效应管

VGS

对沟道宽度的影响|VGS|

阻挡层宽度

若|VGS|

继续

沟道全夹断使VGS=VGS(off)夹断电压若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型沟道宽度

沟道电阻Ron

第3章场效应管

VDS

很小时→VGD

VGS由图VGD=VGS

-VDS因此VDS→ID线性

若VDS→则VGD→近漏端沟道→Ron

增大。此时Ron→ID变慢

VDS

对沟道的控制(假设VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此时W近似不变即Ron

不变第3章场效应管当VDS

增加到使VGD=VGS(off)

时→A点出现预夹断若VDS

继续→A点下移→出现夹断区此时VAS=VAG

+VGS

=-VGS(off)+VGS(恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l不变(即Ron不变)。因此预夹断后：VDS→ID基本维持不变。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第3章场效应管利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。JFET工作原理：综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。第3章场效应管

NJFET输出特性非饱和区(可变电阻区)特点：ID同时受VGS与VDS的控制。条件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2伏安特性曲线线性电阻：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第3章场效应管饱和区(放大区)特点：ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学模型：条件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。第3章场效应管截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS<VGS(off)IG

0，ID=0

击穿区VDS

增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID剧增。VGS

越负则VGD

越负相应击穿电压V(BR)DS

越小第3章场效应管

JFET转移特性曲线同MOS管一样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。

ID=0时对应的VGS值

夹断电压VGS(off)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N沟道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P沟道JFET

)VGS=0时对应的ID值

饱和漏电流IDSS。第3章场效应管JFET电路模型同MOS管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。

JFET电路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源极)(直流电路模型)(小信号模型)利用得第3章场效应管各类FET管VDS、VGS

极性比较

VDS极性与ID

流向仅取决于沟道类型

VGS

极性取决于工作方式及沟道类型由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下：N沟道FET：VDS>0，ID流入管子漏极。P沟道FET：VDS<0，ID自管子漏极流出。JFET管：VGS与VDS极性相反。增强型：VGS与VDS极性相同。耗尽型：VGS取值任意。MOSFET管第3章场效应管场效应管与三极管性能比较项目

器件电极名称工作区导电类型输入电阻跨导三极管e极b极c极放大区饱和区双极型小大场效应管s极g极d极饱和区非饱和区单极型大小第3章场效应管

N沟道EMOS管GD相连

构成有源电阻3.3.1有源电阻3.3场效应管应用原理v=vDS=vGS，i=iD由图知满足vDS

>

vGS–vGS(th)因此当vGS>vGS(th)时N沟道EMOS管

工作在饱和区。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：(小)交流电阻：(大)Tvi+-+-vRi第3章场效应管

N沟道DMOS管GS相连

构成有源电阻v=vDS，vGS=0

，i=iD由图因此，当vDS

>

0–vGS(th)时，管子工作在饱和区。伏安特性即vGS

=0

时的输出特性。由得知当vGS

=0

时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi第3章场效应管有源电阻

构成分压器若两管

n、

COX、VGS(th)相同，则联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图I1=I2V1+

V2=

VDDV1+

V2=

VDD调整沟道宽长比(W/l)，可得所需的分压值。第3章场效应管第32周平均数问题专题简析：在日常生活中，我们会遇到下面的问题：有几个杯子，里面的水有多有少，为了使杯中水一样多，就将水多的杯子里的水倒进水少的杯子里，反复几次，直到几个杯子里的水一样多。这就是我们所讲的“移多补少”，通常称之为平均数问题。解答平均数应用题关键是要求出总数量和总份数，然后再根据“总数量÷总份数=平均数”这个数量关系式来解答。用4个同样的杯了装水，水面的高度分别是8厘米、5厘米、4厘米、3厘米。这4个杯子里水面的平均高度是多少厘米？王牌例题1：

（8＋5＋4＋3）÷3=5（厘米）1、小华期末测试语文、数学、英语成绩分别是92分、96分、94分。这三门功课的平均成绩是多少分？举一反三1：2、某工厂有四个车间，每个车间分别有工人260人、300人、280人、312人。平均每个车间有工人多少人？举一反三1：3、甲筐有梨32千克，乙筐有梨38千克，丙、丁筐共有梨50千克。平均每筐有梨多少千克？举一反三1：幼儿园小朋友做红花，小华做了7朵，小方做了9朵，小林和小宁合做了12朵。平均每个小朋友做了多少朵？王牌例题2：

（7＋9＋12）÷4=7朵1、一个书架上第一层放书52本，第二层和第三层共放70本，第四层放了