MOS管教程

模拟电子技术•掌握内容：JFET特性的比较•理解内容：JFET的特性及参数•了解内容：JFET的结构、工作原理；•重点：NMOSFET及其共源放大电路（CS电路）•难点：N沟道增强型MOSFET的工作原理•本章学时：6第四章场效应管放大路模拟电子技术第四章场效应管放大路主要内容：4.1结型场效应管4.2MOS场效应管4.3场效应管的主要参数4.4场效应管放大电路小结模拟电子技术引言场效应管FET(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)模拟电子技术特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高(1071015，IGFET可高达1015)模拟电子技术4.1结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET模拟电子技术2.工作原理uGS0，uDS0此时uGD=UGS(off)；沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当uDS，预夹断点下移。模拟电子技术3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)uGS0时,2GS(off)GSDSSD)1(UuIiuGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO模拟电子技术一、增强型N沟道MOSFET(MentalOxideSemi—FET)4.2MOS场效应管1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极GateD—漏极DrainSGDB模拟电子技术2.工作原理1)uGS对导电沟道的影响(uDS=0)反型层(沟道)模拟电子技术1)uGS对导电沟道的影响(uDS=0)a.当UGS=0，DS间为两个背对背的PN结；b.当0UGSUGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.当uGSUGS(th)时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS越大沟道越厚。模拟电子技术2)uDS对iD的影响(uGSUGS(th))DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD不变。模拟电子技术3.转移特性曲线DS)(GSDUufi2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGSUGS(th)时：2GS(th)GSDOD)1(UuIiuGS=2UGS(th)时的iD值开启电压O模拟电子技术4.输出特性曲线GS)(DSDUufi可变电阻区uDSuGSUGS(th)uDSiD，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGSUGS(th)全夹断iD=0iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区饱和区可变电阻区放大区恒流区O模拟电子技术二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGSUGS(off)时，全夹断。模拟电子技术二、耗尽型N沟道MOSFET输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGSUGS(off)时，2(off))1(GSGSDSSDUuIiuDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO模拟电子技术三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB模拟电子技术N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较模拟电子技术OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V模拟电子技术4.3场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)(增强型)夹断电压UGS(off)(耗尽型)指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO模拟电子技术UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS107MOSFET：RGS=1091015IDSSuGS/ViD/mAO模拟电子技术4.低频跨导gm常数DSGSDmUuig反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西(mS)uGS/ViD/mAQO模拟电子技术PDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds常数GSdDSdsuiur6.最大漏极功耗PDM模拟电子技术4.4场效应管放大电路4.4.2场效应管电路小信号等效电路分析法4.4.1场效应管放大电路的组态模拟电子技术4.4.1场效应管放大电路的组态三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好一、直流偏置电路1.自给偏压电路+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRGRSGSD模拟电子技术栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻RS的作用：提供负栅偏压漏极电阻RD的作用：把iD的变化变为uDS的变化UGSQ=UGQ–USQ=–IDQRS模拟电子技术SDQSG2G1G2DDGQRIURRRVU；SDQG2G1G2DDGSQRIRRRVU2.分压式自偏压电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ0UGSQ=0UGSQ0RL+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3模拟电子技术例1耗尽型N沟道MOS管，RG=1M，RS=2k，RD=12k，VDD=20V。IDSS=4mA，UGS(off)=–4V，求iD和uO。2GS(off)GSDSSD)1(UuIiiG=0uGS=iDRS2DD)421(4iiRDGDSRGRSiD+uO–+VDD–模拟电子技术045D2DiiiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8VUGS(off)增根uGS=–2VuDS=VDD–iD(RS+RD)=20–14=6(V)uO=VDD–iDRD=20–14=8(V)在放大区例2已知UGS(off)=0.8V，IDSS=0.18mA，求“Q”。模拟电子技术解方程得：IDQ1=0.69mA，UGSQ=–2.5V(增根，舍去)GQ(V)8.5642006424UDQDQGSQ128.5)210(8.5IIU2DQ2GS(off)GSQDSSDQ)8.0128.51(18.0)1(IUUIIIDQ2=0.45mA，UGSQ=–0.4VRLRDC2CS+++uoC1+uiRG2GSDRG1RG310k10k200k64k1M2k5k+24V模拟电子技术4.4.2场效应管电路小信号等效电路分析法小信号模型rgsSidgmugs+ugs+udsGD从输入端口看入，相当于电阻rgs()。从输出端口看入为受ugs控制的电流源。id=gmugs一、场效应管等效电路分析法模拟电子技术例3gm=0.65mA/V，ui=20sint(mV)，求交流输出uo。+RDGDSRGRSiD+uO–+VDD–ui+VGG10k4k交流通路+RDGDSRGRSid+uO–ui小信号等效电路+uiRSRDSidgmugs+ugs+uoGDRGui=ugs+gmugsRSugs=ui/(1+gmRS)uo=–gmuiRD/(1+gmRS)=–36sint(mV)模拟电子技术二、性能指标分析1.共源放大电路有CS时：RL+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidiiLmgsLDgsmio)//(RguRRuguuAuG2G1G3i//RRRRDoRR无CS时：RSSgsmgsLSgsm)//(RuguRRugAuSmLm1RgRgRi、Ro不变模拟电子技术11)//()//(LmLmLSgsmgsLSgsmioRgRgRRuguRRuguuAuG2G1G3i//RRRR2.共漏放大电路RL+VDDC2++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsiiio1//mSomSoodsmSoogsmSooooogRugRuuugRuuugRuuiuRRo模拟电子技术小结第4章模拟电子技术场效应管1.分类按导电沟道分N沟道P沟道按结构分绝缘栅型(MOS)结型按特性分增强型耗尽型uGS=0时，iD=0uGS=0时，iD0增强型耗尽型(耗尽型)模拟电子技术2.特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成由于FET无栅极电流，故采用转移特性和输出特性描述3.特性模拟电子技术不同类型FET转移特性比较结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管(耗尽型)2GS(th)GSDOD)1(UuIiIDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)2GS(off)GSDSSD)1(UuIiIDO是uGS=2UGS(th)时的iD值模拟电子技术作业：P1914.4.2P1924.4.4