MOS管(新)分析

第五章场效应管放大电路场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管：结型N沟道P沟道MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型§5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管金属氧化物场效应管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)又称绝缘栅型场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。1.结构和符号N沟道增强型MOSFET结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当cG(Gate):栅极，相当bS(Source):源极，相当eB(Substrate):衬底§5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理(a)VGS=0时，无导电沟道漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0VGS必须大于0管子才能工作。（1）栅源电压VGS的控制作用（b）0＜VGS＜VT（VT称为开启电压)在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。0＜VGS＜VT，ID=0(c)VGS＞VT时此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成N沟道。如果此时VDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加。这种在VGS=0时没有导电沟道，依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型FETVGS0g吸引电子反型层导电沟道VGS反型层变厚VDSID（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定为某一值，VGD=VGS－VDSVDS为0或较小时，VGD=VGS－VDS＞VT，沟道分布如图，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。VDSID（b）当VDS增加到使VGD=VT时沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDSID不变（c）当VDS增加到VGDVT时沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变3.输出特性曲线vDS/ViD(1)截止区（夹断区）VGSVT以下区域就是截止区VGS＜VTID=0(2)可变电阻区未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS-VDSVPVDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻V-I特性近似为：2[2()]DnGSTDSDSiKvVvv2[2()]DnGSTDSDSiKvVvv'nnOXKC'.()22nnOXnKCWWKLL其中本征导电因子nOXC2()DnGSTDSiKvVv12()DSDSdsoDSnGSTvdvrdiKvV常数为反型层中电子迁移率为栅极氧化层单位面积电容vDS/ViD在特性曲线原点附近所以可变电阻区内原点附近输出电阻为：为受控于VGS的可变电阻(3)放大区产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDSVGS-VTVDSID不变处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源在预夹断临界条件下VDS=VGS-VT由此得到饱和区的V-I特性表达式：2222()(1)(1)GSGSDnGSTnTDOTTvviKvVKVIVV2DOnTIKVDi2GSTvV它是时的ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线vDS/ViD•4.转移特性曲线值时的是在恒流区，DTGSDTGSDDivIVvIiV2)1-(020转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGSVDS5.1.2N沟道耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。沟道长度调制效应MOSFET中,栅极下导电沟道预夹断后，若继续增大VDs，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使iD增大，这种效应称为沟道长度调制效应5.1.2沟道长度调制效应各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型5.1.5MOSFET的主要参数1、开启电压VT：在VDS为一固定数值时，能产生ID所需要的最小|VGS|值。（增强）2、夹断电压VP：在VDS为一固定数值时，使ID对应一微小电流时的|VGS|值。（耗尽）3、饱和漏极电流IDSS：在VGS=0时，VDS|VP|时的漏极电流。（耗尽）4、极间电容：漏源电容CDS约为0.1~1pF，栅源电容CGS和栅漏极电容CGD约为1~3pF。一、直流参数场效应管的主要参数GSDSdsDSvdvrdi常数2、低频互导gm：表示vGS对iD的控制作用。DSGSDmVvdidg=在转移特性曲线上，gm是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为S或mS。二、交流参数1、输出电阻不考虑沟道调制效应时为0考虑时为1GSDSdsDSDvdvrdii常数1、最大漏极电流IDM2、最大漏极耗散功率PDM3、最大漏源电压V(BR)DS最大栅源电压V(BR)GS2[()]2()DSDSnGSTDmnGSTGSGSvvKvVdigKvVdvvmg2()DnGSTiKvV由V-I特性估算2DOnTIKV22mnDDODTgKiIiV因为则三、极限参数场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。几种常用的场效应三极管的主要参数见表参数型号PDMmWIDSSmAVRDSVVRGSVVPVgmmA/VfMMHz3DJ2D1000.352020-4≥23003DJ7E1001.22020-4≥3903DJ15H1006～112020-5.5≥83DO2E1000.35～1.212251000CS11C1000.3～1-25-4≥25.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析5.2.1简单共源极放大电路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋步骤——直流通路VGIDVS5.2MOSFET放大电路1假设MOS管工作于饱和区，则有VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT2利用饱和区的V-I曲线分析电路：2()DnGSTIKVV3如果出现VGSVT，则MOS管可能截至，如果VDSVGS-VT，则MOS管可能工作在可变电阻区。4如果初始假设被证明是错误的，则必须作新的假设，同时重新分析电路。245.2.1简单共源极放大电路的直流分析（1）直流通路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋VGIDVSVGS=VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)2()DnGSTIKVVVDS=VDD－IDRd若NMOS工作于饱和区，则若计算的VDSVGS-VT，则说明NMOS确工作于饱和区；若VDSVGS-VT，则说明工作于可变电阻区。工作于可变电阻区的ID：2()DnGSTDSIKVVv5.2MOSFET放大电路255.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋（1）直流通路VS若NMOS工作于饱和区，则RRsvs+-VGIDGSGSVVV212()()gDDSSSSDSSggRVVVIRVRR2()DnGSTIKVVVDS=VDD－ID(Rd+R)－Vssv05.2MOSFET放大电路26gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如图，设VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流过Rg1,Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：即0.5＝0.5(VGS-1)22()DnGSTIKVV流过Rg1、Rg2的电流为0.05mAVSRsvs+-VGIDv0得VGS=2V12DDSSgggVVRRI12102000.05ggRRK212()()gGSGSDDSSSSDSSggRVVVVVVIRVRR27gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2＋＋＋－viCb2＋R－Vss例.如图，设VT=1V,Kn=500μA/V2,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,Id=0.5mA。若流过Rg1,Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：VSRsvs+-VGIDv0212()()gGSGSDDSSSSDSSggRVVVVVVIRVRR22105(0.50.55)200gRRg2=45K、Rg1=155K判断假设的正确性：VDS=(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V则有：VDS(VGS-VT)=2-1=1V说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。28gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2－v0＋＋＋－viCb2＋静态值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信号电压波形：ωtvi因为：vGS=VGSQ+vi所以vGS的波形为：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20负载线方程：：iD=-+VDDvDSRdRd是一条过(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直线5.2.3NMOS共源极放大电路的图解分析5.2MOSFET放大电路29vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSωtωtVDSQ5.2.3NMOS共源极放大电路的图解分析5.2MOSFET放大电路301.NMOS管的小信号模型双端口网络gsdsvgsvdsid工作在饱和区的漏极电流iD:2DnGSTiKvV22nGSQgsTnGSQTgs