场效应晶体管工作原理及应用课件.ppt
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第3章场效应管,概述,3.1MOS场效应管,3.2结型场效应管,3.3场效管应用原理,概述,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:
场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。
场效应管是单极型器件(三极管是双极型器件)。
场效应管分类:
第3章场效应管,3.1MOS场效应管,N沟道MOS管与P沟道MOS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,因此导致加在各极上的电压极性相反。
第3章场效应管,3.1.1增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,第3章场效应管,N沟道EMOS管外部工作条件,VDS0(保证栅漏PN结反偏)。
U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。
VGS0(形成导电沟道),N沟道EMOS管工作原理,第3章场效应管,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS=0,讨论VGS作用,VGS越大,反型层中n越多,导电能力越强。
第3章场效应管,VDS对沟道的控制(假设VGSVGS(th)且保持不变),VDS很小时VGDVGS。
此时W近似不变,即Ron不变。
由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性。
若VDS则VGD近漏端沟道WRon增大。
此时RonID变慢。
第3章场效应管,当VDS增加到使VGD=VGS(th)时A点出现预夹断,若VDS继续A点左移出现夹断区,此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定),若忽略沟道长度调制效应,则近似认为l不变(即Ron不变)。
因此预夹断后:
VDSID基本维持不变。
第3章场效应管,若考虑沟道长度调制效应,则VDS沟道长度l沟道电阻Ron略。
因此VDSID略。
由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线:
曲线形状类似三极管输出特性。
第3章场效应管,MOS管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称单极型器件。
三极管中多子、少子同时参与导电,故称双极型器件。
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宽窄,控制漏极电流ID。
MOSFET工作原理:
第3章场效应管,由于MOS管栅极电流为零,故不讨论输入特性曲线。
共源组态特性曲线:
伏安特性,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。
第3章场效应管,NEMOS管输出特性曲线,非饱和区,特点:
ID同时受VGS与VDS的控制。
当VGS为常数时,VDSID近似线性,表现为一种电阻特性;,当VDS为常数时,VGSID,表现出一种压控电阻的特性。
沟道预夹断前对应的工作区。
因此,非饱和区又称为可变电阻区。
第3章场效应管,数学模型:
此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器:
VDS很小MOS管工作在非饱和区时,ID与VDS之间呈线性关系:
其中,W、l为沟道的宽度和长度。
COX(=/OX,SiO2层介电常数与厚度有关)为单位面积的栅极电容量。
注意:
非饱和区相当于三极管的饱和区。
第3章场效应管,饱和区,特点:
ID只受VGS控制,而与VDS近似无关,表现出类似三极管的正向受控作用。
沟道预夹断后对应的工作区。
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。
注意:
饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。
第3章场效应管,数学模型:
若考虑沟道长度调制效应,则ID的修正方程:
工作在饱和区时,MOS管的正向受控作用,服从平方律关系式:
其中,称沟道长度调制系数,其值与l有关。
通常=(0.0050.03)V-1,第3章场效应管,截止区,特点:
相当于MOS管三个电极断开。
沟道未形成时的工作区,条件:
VGSVGS(th),ID=0以下的工作区域。
IG0,ID0,击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿ID剧增。
VDS沟道l对于l较小的MOS管穿通击穿。
第3章场效应管,由于MOS管COX很小,因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时,感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX),使绝缘层击穿,造成MOS管永久性损坏。
MOS管保护措施:
分立的MOS管:
各极引线短接、烙铁外壳接地。
MOS集成电路:
D1、D2一方面限制VGS间最大电压,同时对感生电荷起旁路作用。
第3章场效应管,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th)=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时,VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。
VDS=5V,转移特性曲线中,ID=0时对应的VGS值,即开启电压VGS(th)。
第3章场效应管,衬底效应,集成电路中,许多MOS管做在同一衬底上,为保证U与S、D之间PN结反偏,衬底应接电路最低电位(N沟道)或最高电位(P沟道)。
若|VUS|,耗尽层中负离子数,因VGS不变(G极正电荷量不变),ID,根据衬底电压对ID的控制作用,又称U极为背栅极。
阻挡层宽度,表面层中电子数,第3章场效应管,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。
即VDS0、VGS0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。
不同之处:
电路符号中的箭头方向相反。
第3章场效应管,3.1.2耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,第3章场效应管,NDMOS管伏安特性,VDS0,VGS正、负、零均可。
外部工作条件:
DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。
PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。
第3章场效应管,3.1.3四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,第3章场效应管,饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型,VDS极性取决于沟道类型,N沟道:
VDS0,P沟道:
VDS0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,增强型MOS管:
VGS与VDS极性相同。
耗尽型MOS管:
VGS取值任意。
饱和区数学模型与管子类型无关,第3章场效应管,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电阻区)工作条件,|VDS|=|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|,,|VDS|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|,,饱和区(放大区)工作条件,|VDS|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|,,非饱和区(可变电阻区)数学模型,第3章场效应管,FET直流简化电路模型(与三极管相对照),场效应管G、S之间开路,IG0。
三极管发射结由于正偏而导通,等效为VBE(on)。
FET输出端等效为压控电流源,满足平方律方程:
三极管输出端等效为流控电流源,满足IC=IB。
第3章场效应管,3.1.4小信号电路模型,MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照),rds为场效应管输出电阻:
由于场效应管IG0,所以输入电阻rgs。
而三极管发射结正偏,故输入电阻rbe较小。
与三极管输出电阻表达式rce1/(ICQ)相似。
第3章场效应管,(沟道长度调制系数,=1/|VA|),MOS管跨导,通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上,即MOS管放大能力比三极管弱。
第3章场效应管,计及衬底效应的MOS管简化电路模型(衬底与源极不相连),考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用,小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
gmu称背栅跨导,工程上,为常数,一般=0.10.2。
第3章场效应管,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需考虑管子极间电容影响时,应采用如下高频等效电路模型。
第3章场效应管,场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似,可以采用估算法分析电路直流工作点;采用小信号等效电路法分析电路动态指标。
3.1.5MOS管电路分析方法,场效应管估算法分析思路与三极管相同,只是由于两种管子工作原理不同,从而使外部工作条件有明显差异。
因此用估算法分析场效应管电路时,一定要注意自身特点。
估算法,第3章场效应管,MOS管截止模式判断方法,假定MOS管工作在放大模式:
放大模式,非饱和模式(需重新计算Q点),非饱和与饱和(放大)模式判断方法,a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。
c)联立解上述方程,选出合理的一组解。
d)判断电路工作模式:
若|VDS|VGSVGS(th)|,若|VDS|VGSVGS(th)|,b)利用饱和区数学模型:
第3章场效应管,例1已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2,VGS(th)=2V,求ID。
解:
假设T工作在放大模式,代入已知条件解上述方程组得:
VDS=VDD-ID(RD+RS)=6V,因此,验证得知:
VDSVGSVGS(th),,VGSVGS(th),,假设成立。
第3章场效应管,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。
利用微变等效电路分析交流指标。
画交流通路;,将FET用小信号电路模型代替;,计算微变参数gm、rds;,注:
具体分析将在第4章中详细介绍。
第3章场效应管,3.2结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,第3章场效应管,N沟道JFET管外部工作条件,VDS0(保证栅漏PN结反偏),VGS0(保证栅源PN结反偏),3.2.1JFET管工作原理,第3章场效应管,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,第3章场效应管,VDS很小时VGDVGS,由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性,若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。
此时RonID变慢,VDS对沟道的控制(假设VGS一定),此时W近似不变,即Ron不变,第3章场效应管,当VDS增加到使VGD=VGS(off)时A点出现预夹断,若VDS继续A点下移出现夹断区,此时VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS(恒定),若忽略沟道长度调制效应,则近似认为l不变(即Ron不变)。
因此预夹断后:
VDSID基本维持不变。
第3章场效应管,利用半导体内的电场效应,通过栅源电压VGS的变化,改变阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽窄,控制漏极电流ID。
JFET工作原理:
综上所述,JFET与MOSFET工作原理相似,它们都是利用电场效应控制电流,不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。
第3章场效应管,NJFET输出特性,非饱和区(可变电阻区),特点:
ID同时受VGS与VDS的控制。
3.2.2伏安特性曲线,线性电阻:
第3章场效应管,饱和区(放大区),特点:
ID只受VGS控制,而与VDS近似无关。
数学模型:
在饱和区,JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系,但由于JFET与MOS管结构不同,故方程不同。
第3章场效应管,截止区,特点:
沟道全夹断的工作区,条件:
VGSVGS(off),IG0,ID=0,击穿区,VDS增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿,造成ID剧增。
VGS越负则VGD越负相应击穿电压V(BR)DS越小,第3章场效应管,JFE
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- 场效应 晶体管 工作 原理 应用 课件