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1、第三章 场效应晶体管及其电路分析,集成电子技术基础教程,第一篇 电子器件与电子电路基础,IGFETMetal-Oxide-Semiconductor (MOSFET),1.3.1 场效应晶体管结构特性与参数,绝缘栅场效应管(MOSEFT),NMOS增强型的结构与电路符号,2个N+加衬底P，加SiO2，再加铝极。 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,场效应管的栅极与其它电极绝缘,形成Source、Drain、Gate三极),PMOS增强型的结构与电路符号,NMOS管工作原理,VGS=0, VDS较小：VDS引起的电场不足在漏源之间形成导电沟道，管内又无原始的导电沟道(漏源
2、间只是两个“背向”串联的PN结)，所以d-s间呈现高阻,VGS0，且当VGS增强到足够大：d-s之间便开始形成导电沟道,衬底B通常与s极相连，VGS将在栅极与衬底之间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N+区连通，形成N型导电沟道。d、s间呈低阻，所以在VDS的作用下产生一定的漏极电流ID。VGS越大，导电沟道越厚，等效电阻越小，ID越大。开始形成导电沟道所需的最小栅-源电压VGS称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT),NMOS管工作原理,当VGSVT，恒定，同时加上VDS，将产生漏-源电流ID；,由于沟道电阻的存在，ID沿
3、沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布；,VGD=VGS-VDS，沟道呈楔形分布。,NMOS管的导电机理1,NMOS管的导电机理2,伏安特性与电流方程,增强型NMOS管的转移特性,IDO是VGS=2VT时的漏极电流,ID0,(VT),输出特性(漏极特性),可变电阻区 ：预夹断之前,iD不仅受VGS的控制，而且随DS增大而线性增大,模拟为受VGS控制的压控电阻RDS,放大区（恒流区、饱和区）,逐步开始夹断,iD主要受GS的控制，与DS几乎无关，在DS较大的一个范围内，漏极电流iD将基本保持不变，表现为较好的恒流特性,截止区,耗尽型MOSFET,制造过程人为地在栅极下方的SiO绝缘层中
4、掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子,VGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道,DS一定，外加正栅压(GS0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大；,外加负栅压(GS0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小。,GS负到某一定值V GS(off)(常以VP表示)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD0，管子截止,耗尽型MOSFET的伏安特性,IDSS为饱和漏极电流，是VGS=0时耗尽型MOSFET的漏极电流,结型场效应管(JFET),JFET结构与符号,JFET在VGS=0时，存在原始的导电沟道，属于耗尽型,JFET正常
5、工作时，两个PN结必须反偏,JFET通过GS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积） 控制iD，称为体内场效应器件,N沟道JFFT的伏安特性,场效应管的主要参数,直流参数,增强型管开启电压V GS(th)(VT),耗尽型管夹断电压V GS(off)(VP),耗尽型管在VGS=0时的饱和区漏极电流IDSS,VDS=0时，栅源电压VGS与栅极电流IG之比-直流输入电阻R GS(DC),交流参数,低频跨导(互导)gm 转移特性曲线的斜率,交流输出电阻rds,极限参数,最大漏源电压V(BR)DS：漏极附近发生雪崩击 穿时的VDS,最大栅源电压V(BR)GS：栅极与源极间PN结的 反向击穿电压,最大耗散功
6、率PDSM,1.3.2 场效应管放大电路,三种基本组态：共源(CS)、共漏(CD)和共栅(CG),场效应管正常工作，各电极间必须加上合适的偏置电压,为了实现不失真放大，也同样需要设置合适且稳定的静态工作点,场效应管是一种电压控制器件，只需提供栅极偏压，而不需提供栅极电流,各类FET对偏置电压的要求,场效应管的偏置电路,适合N沟道耗尽型MOSFET 的自给栅偏压电路,Rg为栅极泄放电阻，泄放栅极感生电荷，通常取0.110M,Rs作用类似于共射电路的Re，具有直流负反馈作用，可以稳定电路的静态工作点Q,适合耗尽和增强型MOSFET 的分压式自给栅偏压电路,静态工作点的计算,例:VDD=18V,Rs
7、=1K，Rd=3K，Rg=3M，耗尽型MOS管的VP=-5V,IDSS=10mA。试用估算法求电路的静态工作点,估算法(公式法),例:分压式自偏压共源放大电路中，设VDD=15V,Rd=5k,Rs=2.5k,R1=200k，R2=300k，Rg=10M，负载电阻RL=5k，并设电容C1、C2和Cs足够大。已知场效应管的特性曲线。试用图解法分析静态工作点Q，估算Q点上场效应管的跨导gm,栅极回路,由图可得VGSQ=3.5V,IDQ=1mA。,输出回路列出直流负载线方程： VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID,图可求得静态时的VDSQ=7.5V,由转移特性得:开启电压VT=2 VG
8、S=2VT=4V时，ID=IDO=1.9mA,例:设MOSFET的VT=2V,IDO=0.65mA，其余电路参数如图中所示。要求的MOSFET工作在放大区，其漏极电流ID=0.5mA,且流过偏置电阻R1和R2的电流约为0.1ID，试选择偏置电阻R1和R2的阻值,进入放大区,AB段:截止区,BCDQ段:放大区,EFG段:可变电阻区,MOS管电压传输特性与放大器,可控开关,GS=9V，工作点移至F点，MOS管工作于可变电阻区，iD=1.19mA,DS=0.2V，相当于开关接通,工作点移至A，MOS管截止，iD=0,DS=12V,相当于开关断开,用作压控电阻,iD随DS近似线性增加，增加的比值(即R
9、DS)受GS控制,DS较低时(+1VDS-1V) RDS与GS的关系,例:求图示电路压控电阻,集成电子技术基础教程,第一篇 电子器件与电子电路基础,第四章 集成电路中的电子器件,集成电路分类,二极管、三极管、场效应管、电阻、电容,各种连线,集成电路-同一块硅片制作特殊功能电路,集成电路-器件之间绝缘,小规模SSI 、中规模MSI 、大规模LSI和超大规模VLSI,模拟集成电路，数字集成电路,介质(如SiO2)隔离-模拟集成电路,PN结隔离-数字集成电路,1.4.1复合管,两只或两只以上的半导体三极管(或场效应管)按一定方式连接成Darlington,常见达林顿管组合：,结论：,等效复合管的管型
10、取决于第一只管子的类型,等效复合管的12,等效复合管的输入电流可大大减小，T1可采用小功率管,组成复合管时也可由晶体管和场效应管或多个晶体管进行复合,1.4.2多集电极管和多发射极管,多集电极管,集电极电流之比IC1/IC2约等于集电区面积之比,利用它的多个集电极可以构成多个具有比较稳定电流关系的电流源,多发射极三极管,多发射极三极管常作为门电路的输入级电路。,在数字集成电路中，影响门电路转换速度的主要因素是晶体管的开关时间，多发射极管的引入可以加快后级晶体管存储电荷的消散，缩短开关时间，从而提高门电路的转换速度,1.4.3肖特基三极管,肖特基三极管： 普通双极型三极管的集电结上，并接一个肖特基势垒二极管(SBD),三极管的开关速度受存储时间的影响最大，三极管饱和越深，存储时间越长,SBD的开启电压约为0.3V，正向压降0.4V(比普通二极管低0.20.3V) ，本身又没有电荷存储效应，开关时间短，利用肖特基三极管可以有效地限制三极管的饱和深度，大大缩短电路的开关时间,