《MOS場效應管》PPT課件

1 第 三 章 場 效 應 管模擬電子技術基礎 2 場 效 應 管 是 利 用 電 場 效 應 來 控 制 電 流 大 小 ，與 雙 極 型 晶 體 管 不 同 ， 它 是 多 子 導 電 ， 輸入 阻 抗 高 ， 溫 度 穩(wěn) 定 性 好 、 噪 聲 低 。結(jié) 型 場 效 應 管 JFET絕 緣 柵 型 場 效 應 管 MOS場 效 應 管 有 兩 種 :引 言 ： 3 3.1 金 屬 -氧 化 物 -半 導 體 場 效 應 管一 、 N溝道增強型PN NGS DP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層導電溝道金屬鋁G SDN溝道增強型1、 結(jié) 構(gòu) 和 電 路 符 號 4NP P GS D G SDP 溝 道 增 強 型 5 2、 MOS管 的 工 作 原 理PN NGS DUDSUGSUGS=0時 D-S 間 總 有 一個 反 接 的 PN結(jié)ID=0對 應 截 止 區(qū) 6PN NGS D UDSUGSUGS0時 UGS足 夠 大 時（ UGSVGS(Th)）感 應 出 足 夠 多 電子 ， 這 里 出 現(xiàn) 以電 子 導 電 為 主 的N型 導 電 溝 道 。感 應 出 電 子 VT稱 為 閾 值 電 壓 7 UGS較 小 時 ， 導電 溝 道 相 當 于 電阻 將 D-S連 接 起來 ， UGS越 大 此電 阻 越 小 。PN NGS DUDSUGS 8PN NGS D UDSUGS 當 UDS不 太 大時 ， 導 電 溝道 在 兩 個 N區(qū)間 是 均 勻 的 。當 UDS較 大 時 ，靠 近 D區(qū) 的 導電 溝 道 變 窄 。 9PN NGS D UDSUGS 夾 斷 后 ， 即使 UDS 繼 續(xù)增 加 ， ID仍呈 恒 流 特 性。IDUDS增 加 ， UGD=VGS(Th) 時 ， 靠 近 D端 的 溝 道 被夾 斷 ， 稱 為 予 夾 斷 。 10B VGS=const VDSiDVGS-VGS(TH) 預 夾 斷 后 ，夾 斷 點 向 源 極 方向 移 動 ， 溝 道 的長 度 略 有 減 小 ，相 應 的 溝 道 電 阻略 有 減 小 ， 結(jié) 果漏 極 電 路 稍 有 增大 。 11 3、 增 強 型 N溝 道 MOS管 的 特 性 曲 線ID U DS0 UGS0 輸 出 特 性 曲 線非 飽和 區(qū) 飽 和 區(qū)截 止 區(qū) 120 ID UGSVT轉(zhuǎn) 移 特 性 曲 線 13 4、 關 于 輸 出 特 性 曲 線 的 進 一 步 討 論非 飽 和 區(qū) )( )( )( )()( )(thGSGSOXnon DSthGSGSoxnD DSDSthGSGSoxnD VVWCu LR VVVL WCuI VVVVLWCuI 122 2 當 VDS很 小 時 14 )1()(2 )1()(2 2)( 2)( DSthGSGSoxn ADSthGSGSoxnD VVVLWCu VVVVLWCuI 飽 和 區(qū) ID(VGS）IDGS D 15 截 止 區(qū) 和 亞 閾 區(qū) 當 工 作 在 截 止 區(qū) 時 ， 即 VgsVGS(th)時 ， 溝 道未 形 成 ， 因 而 ID=0。 實 際 上 ， VgsVGS(th)時 ， ID不 會 突 變 到 零 。 不 過 其 值 很 小 (uA量 級 )， 一 般可 忽 略 不 計 。 但 是 在 某 些 應 用 場 合 ， 為 了 延 長電 池 壽 命 ， 工 作 電 流 取 得 很 小 ， 管 子 進 入 VGS(th)附 近 很 小 的 區(qū) 域 內(nèi) ( 100mV)。 通 常 將 這 個 工作 區(qū) 稱 為 亞 閾 區(qū) 或 弱 反 型 層 區(qū) ， 在 這 個 工 作 區(qū)內(nèi) ， I D與 VGS之 間 服 從 指 數(shù) 規(guī) 律 變 化 ， 類 似 于 晶體 三 極 管 。 16 在 集 成 電 路 中 ， 許 多 MOS管 都 制 作 在 同 一 襯 底 上 ， 為 了 保 證 襯 底 與 源 、漏 區(qū) 之 間 的 PN結(jié) 反 偏 ， 襯 底 必 須 接 在 電 路 的 最 低 電 位 上 。襯 底 效 應 若 某 些 MOS管 的 源 極 不 能 處 在 電 路 的 最 低 電 位 上 ， 則 其 源 極 與 襯 底 極 不 能相 連 ， 其 間 就 會 作 用 著 負 值 的 電 壓 VUS,在 負 值 襯 底 電 壓 VUS作 用 下 ， P型 硅襯 底 中 的 空 間 電 荷 區(qū) 將 向 襯 底 底 部 擴 展 ， 空 間 電 荷 區(qū) 中 的 負 離 子 數(shù) 增 多 。 可 見 ， VUS和 VGS一 樣 ， 也 具 有 對 ID的 控 制 作 用 ， 故 又 稱 襯 底 電 極 為背 柵 極 ， 不 過 它 的 控 制 作 用 遠 比 V GS小 。 實 際 上 ， VUS對 ID的 影 響 集 中 反 映 在 對 VGS(th)的 影 響 上 。 VUS向 負值 方 向 增 大 ， VGS(th)也 就 相 應 增 大 。 因 而 ， 在 VGS一 定 時 ， ID就 減 小 。但 是 由 于 VGS不 變 ， 即 柵 極 上 的 正 電 荷 量 不 變 ， 因 而 反 型 層 中 的 自 由 電 子數(shù) 就 必 然 減 小 ， 從 而 引 起 溝 道 電 阻 增 大 ， ID減 小 。 17N 溝 道 耗 盡 型PN N GS D予 埋 了 導電 溝 道 G SD二 、 N溝 道 耗 盡 型 MOS管1、 耗 盡 型 MOS管 18P 溝 道 耗 盡 型NP P GS D G SD予 埋 了 導電 溝 道 19 2、 特 性 曲 線 ：耗 盡 型 的 MOS管 UGS=0時 就 有 導 電 溝 道 ， 加 反 向電 壓 才 能 夾 斷 。 轉(zhuǎn) 移 特 性 曲 線0 ID U GSVT 20 輸 出 特 性 曲 線ID U DS0 UGS=0UGS0 21 三 、 小 信 號 模 型DSdsGSmd DSDSDGSGSDDQDSGSDG vgvgi vvivviIvvfii ),(0 )1(2 )1)( )(DSQDQ DSQthGSGSQGSGSDm VIluCoxW VVVluCoxWvvig DSQDQ thGSGSQoxQDSDds VI VVl WuCvig 1 )( )( 22 場 效 應 管 舉 例 ：例 1：已 知 ,. ., /.,/10 010110100 1013500 1282 VmAIumlumW cmFcsVcmu DQoxn 求 ： 小 信 號 模 型 的 參 數(shù)解 ： VuAgg IIVr VuAVIl Wcug mmu DQDQDSQds DSQDQOXnm /. . /. )( 75555710 1010010 111 55710857210102 10010135002 12 53 838 23 場 效 應 管 舉 例 ：例 2： 如 圖 所 示 的 電 路 ，求 漏 極 電 流 ， 已 知解 ： VRR VRV gg DDgG 113047 1847212 mAmAD DD D thGSGSOXnD DSGGS SDSI II I VVl WCuI IVVV RIV 305 6912 2 2097 5211250 2 211. )()(. )( 22502 VmAl WCu OXn /. VV thGS 5)( 舍 去 )()( )(. . . thGSGSDS thGSGSDS thGSGS VVV VVV VV VV 6225627 867669118 627269111假 定 24 一 、 結(jié) 構(gòu) 3.2 結(jié) 型 場 效 應 管 :N基 底 ： N型 半 導 體P P 兩 邊 是 P區(qū)G (柵 極 ) S源 極D漏 極 導 電 溝 道 25S源 極 NP PG(柵 極 ) D漏 極 N溝 道 結(jié) 型 場 效 應 管DG S DG S 26S源 極 PN NG(柵 極 ) D漏 極 P溝 道 結(jié) 型 場 效 應 管DG S DG S 27 二 、 工 作 原 理 （ 以 N溝 道 為 例 ） UDS=0V時NG SD UDS=0U GS N NP PIDPN結(jié) 反 偏 ， |UGS|越 大 則 耗 盡 區(qū) 越寬 ， 導 電 溝 道 越窄 。1、 VDS=0， G、 S加 負 電 壓 ： 28 NG SD UDS=0UGS P P UDS=0時UGS達 到 一 定 值 時（ 夾 斷 電 壓 VP） ,耗盡 區(qū) 碰 到 一 起 ， DS間 被 夾 斷 ， 這 時 ， 即使 UDS 0V， 漏 極 電流 ID=0A。 ID 29NG S D UDSUGS=0 UGS=0且 UDS0時耗 盡 區(qū) 的 形 狀P P越 靠 近 漏 端 ， PN結(jié) 反 壓 越 大 ID2、 VGS=0， D、 S加 正 電 壓 ： 30 NG SD UDSN NIDP P UGS越 大 耗 盡 區(qū) 越寬 ， 溝 道 越 窄 ， 電阻 越 大 。但 當 UGS較 小 時 ， 耗 盡區(qū) 寬 度 有 限 ， 存 在 導電 溝 道 。 DS間 相 當 于線 性 電 阻 。3、 G、 S加 負 電 壓 ， D、 S加 正 電 壓 ：UGS 31NG S D UDSUGSVp且 UDS較 大 時 UGDVP時 耗 盡 區(qū) 的 形 狀P P溝 道 中 仍 是 電 阻特 性 ， 但 是 是 非線 性 電 阻 。 IDUGS 32NG S D UDSUGSVp UGD=VP時P P漏 端 的 溝 道 被 夾 斷 ，稱 為 予 夾 斷 。UDS增 大 則 被 夾 斷區(qū) 向 下 延 伸 。 IDUGS 33NG S D UDSUGSvGS-vGS(th)。 因 此 直 流 電 源的 設 置 要 滿 足 這 個 要 求 。同 時 由 于 場 效 應 管 是 由 GS間 的 電 壓 來 控 制 iD的 ， 因 此 輸 入 信 號 要 能 控 制vGS達 到 放 大 的 目 的 。 根 據(jù) 上 述 想 法 就 組 成 了 共 源 放 大 電 路 如 圖 所 示 。 可以 看 到 它 與 晶 體 管 共 射 放 大 電 路 完 全 是 對 應 ， VGG的 作 用 是 確 定 靜 態(tài) 工 作點 。 第 三 節(jié) 、 場 效 應 管 的 應 用 原 理 ： 45 2、 靜 態(tài) 工 作 點 的 計 算2 )( 2)( )1( )1( thGSGGDSS thGSGSDSSD VVI V vIi 計 算 電 路 的 靜 態(tài) 工 作 點 要 先 作 出 原 電 路 的 直 流 通 路 ， 如 圖 所 示 。 由 于柵 源 之 間 是 絕 緣 的 ， 故 iG=0， 所 以 VGSQ=VGG 利 用 特 性 方 程 可 求 iD: 也 可 以 用 圖 解 法 在 漏 極 特 性 中 作 負 載 線 vDS=VDD-iDRD 與 vGS=VGG的 曲 線 相 交 于 Q點 。 從 而 定 出 IDQ和 VDSQ。 46Dmgs DgsmioV Rgv RvgvvA 輸 入 電 阻 Ri很 大 ， 近 似 為 柵 源 間 的 電 阻 （ 1010） ， 輸 出 電 阻 RoRD 共 源 放 大 電 路 與 共 射 電 路 形 式 相 似 ， 只 是 電 路 的 輸 入 電 阻 要 比 共 射 電 路 的 大 得多 ， 故 在 高 輸 入 電 阻 得 場 合 常 用 場 效 應 管 放 大 電 路 。 畫 電 路 的 交 流 等 效 電 路 如 右 圖 ， 這 里 采 用 的 是 MOS管 的 簡 化 模 型 ， 可 得 ：3、 交 流 性 能 的 計 算 47 二 、 有 源 電 阻 22 22 12 12 )( )()( )()( )( )( )(thGSGSoxn DSthGSGSoxn ADSthGSGSoxnD VVLWCu VVVLWCu VVVVLWCuI 漏 源 短 接 時 ， 視 為 有 源 電 阻 48 QI QVQD i )( DSGS vv i i直 流 電 阻 ：交 流 電 阻 : QQIVR 49 DD thGSOXnthGSOXn VVV VVlWCuVVlWCu 21 222211 22 )()( )()(聯(lián) 立 求 解 ： 1112122 )/( )/( )/( )/( )(lW lW VlW lWVV thGSDD調(diào) 節(jié) 兩 管 的 寬 長 比 ， 可 以 得 到 所要 得 電 壓ii121T2T 1V2V 50 三 、 開 關輸 入 電 壓 的 變 化 范 圍 內(nèi) 的 開 關 電 平 的 要 求)( )( )( )()( )(thGSGSOXnon DSthGSGSoxnD DSDSthGSGSoxnD VVWCu LR VVVL WCuI VVVVLWCuI 122 2 VGH-VGS(off)Ron viVi越 大 ， VGS的 值 越 小 ， 導 通 電 阻 越 大 iv Gv LRVVU 5 Ov 51 互 補 的 cmos開 關 分 別 用 一 個互 補 的 管 型 并 聯(lián)的 方 式 組 成 一 個互 補 的 開 關 iv Gv LRVVU 5 OvGv PN 52 互 補 的 cmos開 關將 一 個 N溝 道 和 一 個 P溝 道 的 并 聯(lián) 使 用 可以 在 輸 入 信 號 的 一 定 的 范 圍 內(nèi) 作 為 開 關來 使 用 VGH-VGS(off)Ron vi