第3章南昌大学低频电子线路

《第3章南昌大学低频电子线路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章南昌大学低频电子线路（52页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、南昌大学低频课件概述南昌大学低频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。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。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。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 场效应管是单极型器件场效应管是单极型器件( (三极管是双极型器件三极管是双极型器件) )。场效应管分类：场效应管分类：MOS 场效应场效应管管结型场效应管结型场效应管3.1MOS

2、场效应管场效应管P 沟道沟道N 沟道沟道P 沟道沟道N 沟道沟道MOSFET增强型增强型( (EMOS) ) 耗尽型耗尽型( (DMOS) ) N 沟道沟道 MOS 管与管与 P 沟道沟道 MOS 管工作原理相似，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。导致加在各极上的电压极性相反。 N+N+P+P+PBSGD 增强型增强型 MOS 场效应管场效应管q N 沟道沟道 EMOSFET 结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P 型硅型硅 衬底衬底SG

3、BD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度 N 沟道沟道 EMOS 管管外部工作条件外部工作条件 vDS 0 ( (形成漏极流向源极的电流形成漏极流向源极的电流) ) B 接电路最低电位或与接电路最低电位或与 S 极相连极相连( (保证源、漏与衬保证源、漏与衬 PN 结反偏结反偏) ) vGS 0 (形成导电沟道形成导电沟道)PP+N+N+SGDBvDS- + - + - +- + vGSq N沟道沟道 EMOS 管管工作原理工作原理栅栅-衬之间衬之间相当于相当于以以 SiO2 为介质的为介质的平板电容器。平板电容器。 N 沟道沟道 EMOSFET 沟道形成原理沟道形成原理 假设

4、假设 vDS = 0，讨论，讨论 vGS 作用作用PP+N+N+SGDBvDS = 0- + - + vGS形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与 PN 结相通结相通vGS 衬底表面层中衬底表面层中负离子负离子 、电子、电子 vGS 开启电压开启电压VGS(th)形成形成 N 型导电沟道型导电沟道表面层表面层 npvGS 越大，反型层中越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。反型层反型层)()(thGSGSoxnVvCQ单位面积栅电容：单位面积栅电容：沟道中导电载流子浓度：沟道中导电载流子浓度：oxoxoxtKC0 vDS 对沟道的控制对沟道的控制( (假设假设 vGS VG

5、S(th) 且保持不变且保持不变) ) vDS 很小时很小时 vGD vGS 。此时。此时 W 近似不变，即近似不变，即 Ron 不变。不变。由图由图vGD = vGS - - vDS因此因此 vDS iD 线性线性 。 若若 vDS 则则 vGD 近漏端沟道近漏端沟道W Ron增大。增大。此时此时 Ron iD 变慢。变慢。PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + 当当 vDS 增加到增加到使使 vGD = VGS(th) 时时 A 点出现点出现预夹断预夹断 若若 vDS 继续继续 A 点左移点左移 出

6、现夹断区出现夹断区此时此时 vAS = vAG + vGS = - -VGS(th) + vGS ( (恒定恒定) )若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变不变( (即即 Ron不变不变) )。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + APP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + AvDS iD 基本维持不变。基本维持不变。 若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应则则 vDS 沟道长度沟道长度 l 沟道电阻沟道电阻 Ron略略 。因此因此 vDS iD 略略 。由上述分析可描

7、绘出由上述分析可描绘出 iD 随随 vDS 变化的关系曲线：变化的关系曲线：iDvDSOvGS VGS(th)vGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。 MOS 管仅依靠一种载流子管仅依靠一种载流子( (多子多子) )导电导电，故称，故称单极单极型器件。型器件。 三极管中多子、少子同时参与导电，故称三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。双极型器件。利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压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，控制漏极电流宽窄，控制漏极电

8、流 iD 。MOSFET 工作原理：工作原理：由于由于 MOS 管栅极电管栅极电流为零，故不讨论输入特流为零，故不讨论输入特性曲线。性曲线。 共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：iD = f ( vGS )vDS = 常数常数转移特性：转移特性：iD = f ( vDS )vGS = 常数常数输出特性：输出特性：q 伏安特性伏安特性+TvDSiG 0vGSiD+- - -转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，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。它们之间可以相互转换。 NEMOS 管输出特性曲线管输出特性曲线q 非饱和区非饱和区特点：特点：iD 同时受同时受

9、vGS 与与 vDS 的控制。的控制。当当 vGS为常数时，为常数时，vDSiD 近似线性近似线性 ，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性； 当当 vDS为常数时，为常数时，vGS iD ，表现出一种压控电阻的特性。，表现出一种压控电阻的特性。 沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：vGS VGS(th) v DS VGS(th) vDS vGS VGS(th)考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随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。的增加略有上翘。注意：饱和区注意：饱和区( (放大区放大区) )对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。

10、数学模型：数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：的修正方程： 工作在饱和区时，工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从管的正向受控作用，服从平方律关系式：平方律关系式：2GS(th)GSOXnD)(2VvlWCiADS2GS(th)GSOXnD1)(2VvVvlWCiDS2GS(th)GSOXn1)(2vVvlWC其中，其中， 称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与 l 有关。有关。 iD随温度升高而下降的负温度特性，与三极管相随温度升高而下降的负温度特性，与三极管相反，有利于提高管子的热稳定性。反，有利于提高管子的热稳定性。q

11、截止区截止区特点：特点：相当于相当于 MOS 管三个电极断开。管三个电极断开。 iD/mAvDS /VOvDS = vGS VGS(th)vGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：vGS VGS(th) iD = 0 以下的工作区域。以下的工作区域。iG 0，iD 0q 击穿区击穿区 vDS 增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬 PN 结雪崩击穿结雪崩击穿 iD 剧增。剧增。 vDS 沟道沟道 l 对于对于 l 较小的较小的 MOS 管管 穿通击穿。穿通击穿。由于由于 MOS 管管 COX 很小，因此当带电物体很小，因此当带电物体(或人或人