《模拟电子技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 MOS模拟集成电路基础 4.1 场效应晶体管 4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 4.1.2 JFET伏安特性曲线 4.1.3 绝缘栅场效应管

第四章MOS模拟集成电路基础 §4.1场效应晶体管 §4.2JFF放大电路 §4.3MS模拟集成电路基础 休息1休息2返回

第四章 MOS 模拟集成电路基础 §4.1 场效应晶体管 §4.2 JFET放大电路 休息1 休息2 §4.3 MOS模拟集成电路基础 返回

§4.1场效应晶体管 引言 411JFET的结构及基本工作原理 412JET状安特性曲线 4J3绝缘栅坛应 /FEy号等效模型 休息1体息2返回

§4.1 场效应晶体管 引言 4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 休息1 休息2 4.1.2 JFET伏安特性曲线 返回 4.1.3 绝缘栅场效应管 4.1.4 FET小信号等效模型

§4.1场效应晶体管 引言 晶体管工作在放大区时,输入回路酬结正偏,输入阻抗小, 且是一个电流控制的有源器件。 场效应管也是一种具有FN结的正向受控作用的有源器件, 它是利用电场效应来控制输出电流的大小,其输入端N结 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。 场效应管根据结构不同分为两大类 结型场效应管(JFET)输入阻抗106~10g 绝缘栅场效应管(GFET)输入阻抗102~10g 在 IGFET中又有多种类型,目前应用最广泛的是以二氧 化硅SO2为绝缘层的场效应管,称为金属一氧化物一半导体场 效应管 MOSFET, Metal- Oxide-Semiconductor field effect transistor)。 休息1休息2返回

§4.1场效应晶体管 晶体管工作在放大区时，输入回路 PN 结正偏，输入阻抗小， 且是一个电流控制的有源器件。 场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件， 它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。 场效应管根据结构不同分为两大类： 结型场效应管 (JFET) 输入阻抗  6 9 10 ~ 10 绝缘栅场效应管 (IGFET) 输入阻抗  1 2 1 4 10 ~ 10 在 IGFET 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧 化硅 O2 Si 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场 效应管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 。 休息1 休息2 引言 返回

411JFET的结构及基本工作原理 休息1体息2 1结构 N沟道管:电子导电 D漏极 P沟道管:空穴导电 (1)N沟道管 G栅极 p 在一块N型硅片两侧分别制作 个高浓度的P型区,形成PN结 两个P型区的引线连在一起作为 个电极,称为栅极G。在N型区两 端引出两个电极分别称为源极S和 s源极 漏极D,两个PN结之间的N区域 D漏极 称为电沟道。符号中箭头的方向代 表了栅源电压处于正偏时栅极的电G栅极 流方向。 (2)P沟道管 S 导电沟道为P型半导体,称为P型 沟道管。 s源极 返回

4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 (1) N 沟道管 在一块 N 型硅片两侧分别制作 一个高浓度的 P 型区，形成 P + N 结 ， 两 个 P 型区的引线连在一起作为一 个电极，称为栅极 G。在 N 型区两 端引出两个电极分别称为源极 S 和 漏 极 D，两个 PN 结之间的 N 区 域 称为电沟道。符号中箭头的方向代 表了栅源电压处于正偏时栅极的电 流方向。 S 源极 D 漏极 G 栅极 G S D + P + P N (2) P 沟道管 G S D P + N + N G 栅极 D 漏极 S源极 导电沟道为 P 型半导体，称为 P 型 沟道管。 1 结构 N 沟道管：电子导电 P 沟道管：空穴导电 休息1 休息2 返回

411JFET的结构及基本工作原理 2工作原理 (1)uos对漏极电流,的控制作用 N沟道:Wo沟道截面 如果在uDs>0时("Ds定) in的大小受uos的控制 般:|as个→沟道截→>沟道电阻→>i 当|s=Uasm)时→沟道夹断→i=0 小结:场效应管是一种压控器件; 场效应管只有一种极性的载流子导电一单极性晶体管。 休息1体息2返回

2 工作原理 (1) uGS 对漏极电流 D i 的控制作用 N 沟道： u 0 GS  ， PN 结反偏，耗尽层 → 沟道截面 如果在uDS  0 时 + P + P G S D N D i uGS uDS ( u ) DS一定 i D 的大小受uGS 的控制 一般： uGS  →沟道截面 → 沟道电阻 → i D  当 uG S = UG S( off ) 时→ 沟道夹断→ i D = 0 小结：场效应管是一种压控器件； 场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。D i D i D i 休息1 休息2 4.1.1 JFET的结构及基本工作原理 返回

(2)uDs对iD的影响 D Ds>0,uo加强反偏耗尽 →沟道电→i 如果uDs↑→>合拢点沿沟道向源极方向移动> 外电压增量MDs=uDs GS(off) 主要降落在夹断区上 未被夹断的沟道上电压不变,不变(恒流区)。 当D个个→uD>U(BR→强电场PN结雪崩击穿 → in个个 D (击穿区)。 休息1体息2返回

预夹断状态之后： 如 果uD S  → 合拢点沿沟道向源极方向移动→ 外电压增量 uD S = uD S − UGS ( off ) 主要降落在夹断区上， → 未被夹断的沟道上电压不变 , D i 不变（恒流区）。 当 uD S   → uD S  U( BR )D S → 强电场→ PN 结雪崩击穿 → i D   （击穿区）。 故沿沟道 PN 结反偏电压不等（上大，下小） 由于沟道电阻的存在，漏源电压 uDS沿沟道递降 耗尽层（上宽下窄）, 沟道宽度（上窄下宽）. 当 uD S = UGS ( off ) 时，靠近漏极出现沟道合拢, 即，出现预夹断状态； I： u 0 DS  ， u 0 GS = G S D (2) uDS对iD的影响 uDS + P + P II： u 0 D S  ，u 0 GS  ， 在相同uD S 电压时，uGS 值不同， 相应的预夹断电压也不同。 u 0 GS   → 加强反偏→ 耗尽层 → 沟道电阻 → i D  iD 休息1 休息2 N 返回

41.2JFET伏安特性曲线 1转移特性曲线 一般数学表示式:iD=f(uas)米=c 它表示了漏源电压一定时,栅源电压对漏源电流的控制作用。 iD(ma) ps=uGs-UC D G(off) 击穿区 I区 0 lns=6y lcs =-04p UGS(off l L I区 图中lbss称为漏极饱合电流,即us=0时的 转移特性的大信号特性方程:D=1 GS(off) D与s之间不是线性关系,而是平方律关系。故JFET也是 种非线性器件。当然uDs为不同值时,可得一簇转移特性曲线,但由于 工作在恒流区,1D几乎与Ds无关。各曲线基本重合。返回休息1休息2

2 GS ( off ) GS D DSS ) U u i = I ( 1 − 4.1.2 JFET伏安特性曲线 1 转移特性曲线 一般数学表示式： D GS uDS C i f ( u ) = = 它表示了漏源电压一定时，栅源电压对漏源电流的控制作用。 IDSS uDS = 6V 击穿区 I区 II区 III区 UGS ( off ) 6V D i uGS uDS i (mA) D uDS = uGS −UGS( off ) uGS = 0 uGS = −0.4V uGS = −0.8V 图中 IDSS称为漏极饱合电流，即uGS = 0 时的D i 。 转移特性的大信号特性方程： D i 与uGS 之间不是线性关系，而是平方律关系。故 JFET 也是一 种非线性器件。当 然uD S 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，但由于 工作在恒流区， D i 几乎与uD S 无关。各曲线基本重合。 返回 休息1 休息2

2输出特性曲线 iD=∫(uns uGS 2n(m4)uns=la-Uoo)击穿区 Ⅱ区 UGs=-0 4l lla=-0.8 =-=-- uas=UG(off G(off) 6V II区 II:截止区:us GS(off) IV:击穿区 :放大区(恒流区或饱合区):LDs>ls-Ucam 输出特性曲线平坦但略向上倾斜,是模拟电路工作区,向上倾 斜的原因是由于沟道的调制效应。 恒流区的大信号特性方程: I Dss(UGS(off) )(1+auns), 其中相当于BJT的A 返回休息1休息2

IDSS uDS = 6V UGS ( off ) 6V D i uGS uDS i (mA) D uDS = uGS −UGS( off ) uGS = 0 uGS = −0.4V uGS = −0.8V 2 输出特性曲线 击穿区 I区 III区 II区 D DS uGS C i f (u ) = = I：可变电阻区： u D S  uGS − U GS ( off ) ： 由于uD S 较小，D i 与uD S 近似线性关系。 D 极 与 S 极对称，允许对换。 II ： 放 大 区 （ 恒 流 区 或 饱 合 区 ）：uD S uG S−UG S(off) 输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区，向上倾 斜的原因是由于沟道的调制效应。 恒流区的大信号特性方程： ) (1 u ) U u i I (1 DS 2 GS( off ) GS D = DSS − +  ， 其中  1 相当于 BJT的UA III：截止区： uGS = UGS ( off ) IV：击穿区 uGS = UGS ( off )  1 返回 休息1 休息2

41.3绝缘栅场效应管 栅极处于绝缘状态的场效应管,输入阻抗很大, 目前广泛应用的是SO2为绝缘层的绝缘栅场效应管, 称为金属一氧化物一半导体场效应管,简称 MOSFET。 MOSFET的类型: 增强型N沟道MOS管(E型 N MOSFET 耗尽型N沟道MOS管(D型 N MOSFET) 增强型P沟道MOS管(E型 P MOSFET) 耗尽型P沟道Mos管(D型 P MOSFET) 返回休息1休息2

4.1.3 绝缘栅场效应管 栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大， 目前广泛应用的是 Si O2 为绝缘层的绝缘栅场效应管， 称为金属－氧化物－半导体场效应管，简称 MOSFET。 MOSFET 的类型： 增强型 N 沟道 MOS 管（E 型 N MOSFET） 耗尽型 N 沟道 MOS 管（D 型 N MOSFET） 增强型 P 沟道 MOS 管（E 型 P MOSFET） 耗尽型 P 沟道 MOS 管（D 型 P MOSFET） 返回 休息1 休息2

1E型 N MOSFET的工作原理 GD (1)E型 N MOSFET结构及电路符号 S: O2 在一块P型硅衬底上扩散两个高T—T 掺杂的N型区,分别作为源极S和漏 极D,在S和D之间的P型衬底平面 P 上利用氧化工艺生长一层薄的SO2绝 缘层,并引出G,在衬底上引出接触 衬底引线 电极一衬底(引线)电极。 般:当ug=0时,D,S之间无导电沟道存在〉增强型(E型) 当ugs=0时,D,S之间有导电沟道存在>耗尽型(D型) E型 NMOSFET E型 P MOSFET D型 NMOSFET D型 P MoSFEt 返回

衬底引线 P SiO2 1 E型N MOSFET的工作原理 N+ N+ S G D (1) E 型 N MOSFET 结构及电路符号 在一块 P 型硅衬底上扩散两个高 掺杂的 N 型区，分别作为源极 S 和漏 极 D，在 S 和 D 之间的 P 型衬底平面 上利用氧化工艺生长一层薄的 Si O2绝 缘层，并引出 G，在衬底上引出接触 电极－衬底（引线）电极。 一般： 当u 0 GS = 时 ，D,S 之间无导电沟道存在→ 增强型（E 型 ） 当u 0 GS = 时 ，D,S 之间有导电沟道存在→ 耗尽型（D 型 ） E型N MOSFET E型PMOSFET D型N MOSFET D型PMOSFET 返回