第三章第一节场效应管教学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 场效应管,第三章 前言,第一节,MOS,场效应管,第二节 结型场效应管,第三节 场效应管应用,第三章 场效应管,前言,场效应管,(FET),是另一种具有正向受控作用的半导体器件，分,MOS,场效应管,(MOSFET),与结型场效应管,(JFET),两种类型。,MOSFET,与,JFET,工作原理类似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之外仅在于导电沟道形成的原理不同。由于场效应管只有多子参与导电，故常称为单极型器件，相应地，将晶体三极管称为双极型器件。,学习本章时，要时刻将声效应管与晶体三极管相对照，这样不仅可以加深对,FET,工作原理、模型及分析方法的理解，而且还可以找出它们的异同点，便于掌握。,教学要求：,了解,MOS,场效应管与结型场效应管的工作原理，重点了解场效应管中预夹断的基本概念。,熟悉场效应管的数学模型、直流简化电路模型、曲线模型及小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。,熟悉放大模式下各种场效应管的外部工作条件。,掌握场效应管放大电路分析方法：估算法及小信号等效电路法。能熟练利用估算法分析电路的直流工作点。,熟悉场效应管与三极管之间的异同点。,本章,3.3,节根据教学需要，可作为扩展内容。,场效应管：是另一种具有正向受控作用的半导体器件。,类型,绝缘栅型：,MOS,场效应管,金属氧化物半导体,P,沟道,N,沟道,耗尽型,增强型,结型,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,3.1 MOS,场效应管,一、增强型,MOS(EMOS),场效应管,电路符号,G,D,U,S,源极,漏极,栅极,衬底,N,沟道,EMOS,场效应管结构示意图,N,D,P,N,P,G,S,耗尽层,1、工作原理,（1）、导电沟道形成原理：,当,V,DS,=V,GS,=0,时 结构示意图,当,V,DS,=0,，,在栅极,G,与源极,S,之间外加电压,V,GS,时：,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,随着,V,GS,的增大电场增强,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,随着,V,GS,继续增大，电场继续增强,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,P,型半导体，转型为,N,型半导体，称为,反型层,。此时如外加,V,DS,电压，将有电流自漏区流向源区。,根据结构图看出，反型层的宽窄,可由,V,GS,的大小来调整。我们将反型层，称为,导电沟道,，由于反型层是,N,型半导体，则称为,N,沟道,。,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,所对应的,V,GS,电压，称为,开启电压,，用,V,GS(th),表示。,形成导电沟道时：,（2）、,V,DS,对沟道导电能力的控制：,当,V,GS,为一定值，,V,DS,0,时，在,V,DS,的作用下，形成漏极电流,I,D,。,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,漏极与源极之间，存在着电位差,B,A,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,显然，,V,D,V,A,V,G,V,B,V,GD,的大小将沿着沟道而变化，越靠近漏区,V,GD,越小，沟道越窄；越靠近源区,V,GD,越大，沟道越宽。,当,V,DS,继续增大，则,V,GD,相应的减小。直到,V,GD,=V,GS(th),或表示为：,或 时，靠近漏端的反型层消失。,即 靠近漏区的沟道被夹断，夹断点,A,称为,预夹断点,。,A,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,V,DS,继续增大，预夹断点前移，导电沟道变短。,A,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,综合上面的分析，可以画出,V,GS,V,GS(th),，,并且为一定值时，漏极电流,I,D,，,随,V,DS,变化的特性。,(,a)、,设,V,DS,=0 V,开始,I,D,V,DS,0,V,DS,=V,GS,-V,GS(th),当,V,DS,很小，沟道电阻几乎与,V,DS,无关，,I,D,随,V,DS,线性增大。,(,b)、,V,DS,继续增大，靠近漏区的沟道变窄，沟道电阻增大。,I,D,随,V,DS,增大趋于缓慢。,（,c）、,当 时,靠近漏区的沟道被夹断，即在,A,点处。,A,V,DS,继续增大时，,I,D,V,DS,0,V,DS,=V,GS(th),A,形成漏极指向夹断点的电场，,I,D,几乎不随,V,DS,而变化的恒值。,（,d）、,沟道长度调制效应：,预夹断后，继续增大,V,DS,，,预夹断点会向源区方向移动，导致沟道长度减小，相应的沟道电阻减小，结果，是,I,D,略有增大。这种效应称为沟道长度调制效应。,小结:,（1）、,ENOS,场效应管，主要依靠一种载流子多子，参与导电自由电子。因此，称,MOS,管为单极型管；而晶体三极管是由多子和少子两种在流子参与导电，可称为双极型管。,（2）、通过分析工作原理，可知两个高掺杂的,N,区与衬底之间的,PN,结，必须外加反向偏置电压。,（3）、电路符号中的衬底箭头方向，是,PN,结外加正向偏置时的正向电流方向。,2、伏安特性：,输入特性,I,G,=0,输出特性,V,GS,为常数。,EMOS,管的输出特性曲线,I,D,/mA,3.5,V,V,DS,/V,4.5,V,4,V,V,GS,=5.5V,5,V,0,V,DS,=V,GS,-V,GS(th),5,V,10,V,3,V,20,V,15,V,输出特性曲线画分为四个工作区：,（1）、非饱和区,即,I,D,的大小同时受,V,GS,与,V,DS,的控制。它们的依存关系为：,式中：,n,为自由电子迁移率；,C,ox,为单位面积的栅极电容量；,l,为沟道长度；,W,为沟道的宽度。,当,V,DS,的值很小时，,V,DS,的二次项可忽略。,I,D,/mA,3.5,V,V,DS,/V,4.5,V,4,V,V,GS,=5.5V,5,V,0,V,DS,=V,GS,-V,GS(th),5,V,10,V,3,V,20,V,15,V,V,DS,很小时，,I,D,与,V,DS,之间呈线性关系。,输出特性曲线近似为一组直线：,5.5,V,V,DS,/mV,I,D,/mA,3.5,V,5,V,4.5,V,4,V,0,此时，,MOS,管可看成，阻值受,V,GS,控制的线性电阻器，其阻值用,R,on,表示。,表明 越小，,R,on,越大。,（2）、饱和区：,即,若忽略沟道长度调制效应，则可令：,代入,得漏极电流表达式：,在饱和区内，,I,D,受,V,GS,的控制，而几乎不受,V,DS,控制。,D,I,D,(V,GS,),S,G,V,GS,I,D,I,D,受,V,GS,的控制关系可用转移特性曲线来描述,I,D,/mA,3.5,V,4.5,V,4,V,V,GS,=5.5V,5,V,0,V,DS,=V,GS,-V,GS(th),5,V,10,V,3,V,20,V,15,V,V,DS,/V,V,GS,/V,3,3.5,4,4.5,5,5.5,I,D,/mA,0,若计入沟道长度调制效应，则可利用厄尔利电压,V,A,加以修正,令 称为沟道长度调制系数,则,与沟道长度,l,有关，,l,越小，相应,就越大。通常,小结：,（,a）、,不论工作在非饱和区或饱和区，只要,V,GS,和,V,DS,为定值时，,I,D,均与沟道的宽长比（,W/l）,成正比。,（,b）、,当温度升高时，迁移率,n,减小，而引起,I,D,下降；同时，衬底中少子自由电子浓度增大，而引起,V,GS,(th),减小，从而使,I,D,增大，当,I,D,不太小时，前者影响一般大于后者，结果，,I,D,具有随温度升高，而下降的负温度特性。,（3）、截止区和亚阈区：,截止区 即,V,GS,V,GS(th),时，,I,D,=,0,。,实际上，,V,GS,V,GS(th),时，,I,D,不会发生突变到零值，只是其值很小，在,A,数量级，一般可忽略不计。,亚阈区：,I,D,很小，管子进入,V,GS(th),附近区域内，确定,范围内。可以称为弱反型层区。在这个工作区内，,I,D,与,V,GS,之间服从指数规律变化。,100,mV,V,GS,V,GS(th),100,mV,0,I,D,（4）、击穿区：,(,a)、V,DS,增大到足以使漏区与衬底之间的,PN,结引发雪崩击穿时,I,D,迅速增大，管子进入击穿区。,(,b)、,还会发生类似晶体管中的穿通击穿。,(,c)、,栅源电压,V,GS,过大，而引发绝缘层的击穿。,3、衬底效应：,A,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,U,V,US,对,EMOS,管来说，为了让管子能正常工作，必须保证衬底与源区、漏区之间的,PN,结反向偏置，衬底必须接在电路的最低电位上。当源极与衬底不能相连接时，就会存在一个负值电压,V,US,。,当负值衬底电压,V,US,衬底中的空间电荷区向底部扩展,空间电荷区的负离子数增多,由于,V,GS,不变,导电沟道中自由电子减少,沟道电阻增大,A,N,D,P,N,P,G,S,V,GS,V,DS,U,V,US,I,D,减小,V,GS,(V),I,D,(mA),V,US,=0,-4,V,-2,V,5.5,V,0,V,GS,(V),I,D,(mA),V,US,=0,V,US,=-4V,V,US,=-2V,0,4、,P,沟道,EMOS,场效应管,电路符号,G,D,U,S,源极,漏极,栅极,衬底,P,D,N,P,N,G,S,V,GS,V,DS,（1）、非饱和区：,（2）、饱和区：,（3）、截止区：,（4）、衬底电压 即为正值。,二、耗尽型,MOS,场效应管（,DMOS）,结构示意图,N,D,P,N,P,G,S,U,N,D,漏极,U,衬底,G,栅极,S,源极,电路符号,N,沟道,DMOS,场效应管,P,D,N,P,N,G,S,P,U,D,漏极,U,衬底,G,栅极,S,源极,电路符号,P,沟道,DMOS,场效应管,2、伏安特性：,以,N,沟道,DMOS,管为例,I,D,/mA,-1.5,V,-0.5,V,-1,V,V,GS,=0.5V,0,V,0,V,DS,=V,GS,-V,GS(th),5,10,-1.8,V,20,15,V,DS,/V,V,GS,=1V,I,D,/mA,-2,-1,V,GS,/V,0,0.5,1,四、小信号电路模型,1、,MOS,管（,EMOS、DMOS）,的衬底与源极相连，并且工作在饱和区条件下。设在直流量上叠加很小的交流量，则有,设 取,v,GS,、v,DS,为自变量,，,i,G,、i,D,分别为,v,GS,、v,DS,的非线性函数,输入回路,输出回路,用幂级数在,Q,点上对交流量展开，得,高次项,设交流量很小，高次项可忽略。并且令,则有,式中,g,m,为跨导,g,ds,为输出电导,令,r,ds,为输出电阻,根据此方程，可以画出小信号等效电路模型,1/,g,ds,g,m,v,gs,v,gs,S,D,G,v,ds,r,ds,g,m,v,gs,v,gs,S,D,G,v,ds,计算,g,m,、,g,ds,因为,所以 代入上式,通常,所以上式可简化为：,2、若考虑,MOS,管（,EMOS、DMOS）,的衬底与源极不相连时，还存在着,v,US,的影响，即,则回路方程,令,称为衬底跨导，表示,v,us,对,i,d,的控制能力,工程上，其值可近似的表示为,式中，,为常数，一般为0.10.2。,根据电路方程画等效电路：,r,ds,g,m,v,gs,v,gs,S,D,G,v,ds,g,mu,v,us,在考虑高频应用时，还必须计入,MOS,管极间电容的影响。,等效电路为：,r,ds,g,m,v,gs,v,gs,S,D,G,v,ds,g,mu,v,us,C,du,C,ds,C,us,C,gu,C,gs,C,gd,U,C,gs,为栅源之间的电容；,C,gd,为栅漏之间的电容；,C,du,和,C,su,分别为漏区与称底和源区与衬底之间,PN,结的势垒电容；,C,gu,为栅极与衬底之间的电容。,若衬底与源极相连时，等效电路可简化为：,r,ds,g,m,v,gs,v,gs,S,D,G,v,ds,C,ds,C,gs,C,gd,五、分析方法,例一、一,N,沟道,EMOSFET,组成的电路如图所示，要求场效应管工作于饱和区，,I,D,=1mA，V,DSQ,=6V，,已知管子参数为,n,C,OX,W/2,l=0.25mA/V,2,，V,GS(th),=2V，,设,=0，,试设计该电路。,R,D,R,S,R,G2,R,G1,T,V,DD,+20,V,解：因为,所以,不合题意舍去,因为,因为,所以,所以,所以,假如设,V,S,=4V,则,所以,取,R,G1,=1.2M,则,R,G2,=0.8M,所以,例二、设计如图所示电路，要求,P,沟道,EMOS,管工作在饱和区，并且,I,D,=0.5mA，V,D,=3V，,已知,n,C,ox,W/2,l,=0.5mA/V,2,V,GS(th),=-1V，=0。,解：,不合题意舍去,要使管子工作在饱和区，则：,R,D,R,S,R,G2,R,G1,T,V,SS,+5,V,2,M,V,G,V,D,V,S,则,R,D,R,S,R,G2,R,G1,T,V,SS,+5,V,2,M,V,G,V,D,V,S,谢谢！,供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎,(,讲课,2019),脊髓灰质炎,(,讲课,2019),供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎,(,讲课,2019),脊髓灰质炎,(,讲课,2019),