模拟电子线路场效应管精选文档.ppt
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1、模拟电子线路场效应管本讲稿第一页,共三十八页 N沟道沟道MOS管与管与P沟道沟道MOS管工作原理相似,不同之管工作原理相似,不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同,因此导致加在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各极上的电压极性相反。本讲稿第二页,共三十八页3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管 N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图N+N+P+P+PUSGD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SGUD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度本讲稿第三页,共三十八页源极源极 S(S
2、ource)漏极漏极 D(Drain)衬底引线衬底引线 U栅极栅极 G(Gate)N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构场效应管的结构示意图示意图本讲稿第四页,共三十八页 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)。U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(保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏)。VGS 0(形成导电沟道形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+-+-+VGS N沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理栅栅 衬之间衬之间相当相当于以于以SiO2为介质为介质的平板电容器。的平板电容器。绝绝缘缘栅栅场场效效应
3、应管管利利用用 VGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少,改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况,以以控控制制漏漏极极电电流流 ID。本讲稿第五页,共三十八页工作原理分析:工作原理分析:(1)VGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结,无无论论漏漏源源之之间间加加何何种种极极性性电电压,压,总是不导电总是不导电。SUD N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假设假设VDS=0,讨论,讨论VGS作用作用本讲稿第六页,共三十八页VGG(2)VDS=0,0 VGS pVGS越大,反型层中越大,反型层中
4、n 越多,导电能力越强。越多,导电能力越强。反型层反型层本讲稿第九页,共三十八页 VDS对沟道的控制对沟道的控制(假设(假设VGS VGS(th)且保持不变)且保持不变)VDS很小时很小时 VGD VGS。此时沟道深度近似不变此时沟道深度近似不变,即即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 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+本讲稿第十页,共三十八页 当当VDS增加到增加到使使VGD =VGS
5、(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若VDS 继续继续 A点左移点左移出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(即不变(即Ron不变)。不变)。因此预夹断后:因此预夹断后:PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+APP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+AVDS ID 基本维持不变。基本维持不变。本讲稿第十一页,共三十八页 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 V
6、DS ID略略。由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS 变化变化的关系曲线:的关系曲线:IDVDS0VGS 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。本讲稿第十二页,共三十八页 MOS管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称单极型器件。单极型器件。三极三极管中多子、少子同时参与导电,故称管中多子、少子同时参与导电,故称双极型器双极型器件。件。利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应,通通过过栅栅源源电电压压VGS的的变变化化,改改变变感感生生电电荷荷的的多多少少,从从而而改改变变感感生生沟沟道道的的宽
7、宽窄,控制漏极电流窄,控制漏极电流ID。MOSFET工作原理:工作原理:本讲稿第十三页,共三十八页 由于由于MOS管栅极电流为管栅极电流为零,故不讨论输入特性曲线。零,故不讨论输入特性曲线。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: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,它们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。之间可以相互转换。本讲稿第十四页,共三十八页 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线 非饱和区非饱和区特
8、点:特点:ID同时受同时受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;ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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)V DS VGSVGS(th)考考虑虑到到沟沟道道长长度度调调制制效效应应,输输出出特特性性曲曲线线随随VDS的的增增加加略有上翘。略有上翘。注意:
9、饱和区(又称放大区)对应三极管的放大区。注意:饱和区(又称放大区)对应三极管的放大区。本讲稿第十七页,共三十八页数学模型: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:工工作作在在饱饱和和区区时时,MOS管管的的正正向向受受控控作作用用,服服从从平平方律关系式:方律关系式: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。通常通常 =(0.005 0.03)V-1本讲稿第十八页,共三十八页 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/V0VDS=VGS VGS(th)VGS
10、=5V3.5V4V4.5V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=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG0,ID0 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。本讲稿第十九页,共三十八页本讲稿第二十页,共三十八页 由于由于MOS管管COX很小,因此当带电物体(或人)靠很小,因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时,感生电荷在近金属栅极时,感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大绝缘层中将产生很大的电压的电压VGS(=Q/COX),使
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