1、电子电路与系统基础 理论课第九讲 MOSFET 李国林 清华大学电子工程系 晶体管 transistor 晶体管 transistor transfer resistor：转移电阻器 受第三端控制的两端电阻器 晶体管是阻值受控的非线性电阻 受控特性可以是开关控制特性 导通时电阻很小，关断时电阻很大 受控特性可以受控电流源 输出电流受控于控制端电压或控制端电流 等效为受控电流源时，一定存在直流偏置源为其提供能量，等效受控电流源的能量源自直流偏置源 2 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 晶体管分类 根据导电载流子类型分类 双极型： bipolar transistor 两
2、种载流子参与导电或导电控制 BJT， minority-carrier devices 少子器件 单极型： unipolar transistor 只有一载流子参与导电 MOSFET， JFET， majority carrier device 多子器件 根据导电受控特性分类 场效应： field effect transistor 电场控制导电：通过电容性耦合实现导电控制 MOSFET， JFET， 势效应： potential effect transistor 电势控制导电：通过直接接触实现导电控制 BJT， 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 3 导电通道 源极
3、 漏极 栅极 导电通道 发射极 集电极 基极 FET PET MOSFET 大纲 MOSFET受控机制 基于 MOSFET伏安特性的电路等效 有源区等效电路：压控流源 截止区和欧姆区等效电路：开关 基本应用电路 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 4 NMOSFET受控特性 元件约束方程 5 恒 流区： constant current region 有源区： active region 饱和区： saturation region（ MOSFET） DSVDIOGSVNMOSFET： N沟道 MOS场效应管 截止 区： cutoff region 亚阈值区： subt
4、hreshold region （ MOSFET） 欧姆 区： ohmic region 线性区： linear region （ MOSFET） 三极管区： triode region （ MOSFET） 饱和区： saturation region（ BJT） DI0DSVGSVgateG :drainD :sourceS :MOSFET的伏安特性就是一个受控的非线性电阻伏安特性 BJT伏安特性类似 栅极 漏极 源极 漏极电流 漏源电压 栅源电压 THGS VV THGD VV THGS VV THGS VV THGD VV 阈值电压 GI栅极电流 DSGSDGVVfII,0MOSFET三
5、个区域是如何形成的？ 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 6 恒流区： constant current region DSVDIOGSV截止 区： cutoff region 欧姆 区： ohmic region THGS VV THGD VV THGS VV THGD VV THGS VV THGSDS VVV THGSDS VVV sa tDSTHGSDS VVVV ,两个孤岛：漏源不导电 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 7 B：最低电位 为了确保同一基片上的晶体管相互独立 S D N N P VDS PN结反偏耗尽层 漏源不导电 S：
6、 Source：源极 D： Drain：漏极 B： Bulk：衬底 MOSFET 加一个控制端：栅极 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 8 B S D N N P S： Source：源极 D： Drain：漏极 B： Bulk：衬底 G： Gate：栅极 门：打开门 ， 关上门 ， 控制端 G M： Metal：金属 O： Oxide：氧化物 S： Semiconductor：半导体 F： Field：场 E： Effect：效应 T： Transistor：晶体管 MOSFET结构 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 9 S D N N P
7、 G B L W 控制电压形成沟道 B S D N N P VGS G VDS=0 0GSVTHGS VV THGS VV THGS VV VGS很小时 ：漏源无法形成沟道 ， 截止状态： DS不导电 VGS=VTH时：氧化层下方 P型区的空穴全部耗尽 VGSVTH时：氧化层下方形成反型层 ， 形成导电沟道 VTH：阈值电压 VGS高于 VTH越多 ， 导电沟道越厚 ， 沟道内可移动电荷数目越多 ， DS间电阻就越小 ，DS电流就越大：受控电流源 ，受控电阻 xTHGSox LQVVW L CVCQ 0 沟道内的总电荷量 THGSoxx VVWCQ 栅沟电压 VGS决定单位长度电荷量 oxox
8、ox tCSiO2介电常数 SiO2厚度 栅氧层单位面积电容 DS导通： VDS较小 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 11 B S D N N P VGS G VDS0 0 L x THGS VV THGD VV s a tDSTHGSDSGDTH VVVVVV , xxQxQ x THGSoxx VxVVWCxQ DSVLVV 00 THGSoxx VVWCQ 0 THGDoxx VVWCLQ xvVxVVWCI THGSoxD x xvxQtxxQtQIxxD ?xV沟道电荷分布不再均匀 x,x+x区域内总电荷量 导通特性： VDS小于饱和电压 李国林 电子电路
9、与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 12 B S D N N P VGS G VDS0 0 L x THGS VV THGD VV sa tDSTHGSDS VVVV , vVxVVWCI THGSoxD Ev 电荷运动速度等于载流子迁移率与电场强度之积 dx xdVxE x dx xdVVxVVWCI nTHGSoxD xdVVxVVCWdxI THGSoxnD xne Evv 导通特性： VDS小于饱和电压 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 13 B S D N N P VGS G VDS0 0 L x THGS VV sa tDSTHGSDS VVVV
10、, xdVVxVVCWdxI THGSoxnD DSVTHGSoxnLDxdVVxVVCWdxI00 2022121DSDSTHGSoxnVTHGSoxnDVVVVCWVVVVCWLIDS导通特性： VDS小于饱和电压 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 14 B S D N N P VGS G VDS0 THGS VV sa tDSTHGSDS VVVV , 221DSDSTHGSoxnD VVVVLWCI LWCVVVVIoxnDSDSTHGSD212122导通特性： VDS等于饱和电压 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 15 B S D
11、N N P VGS G VDS0 0 L THGS VV sa tDSTHGSDS VVVV , 221DSDSTHGSoxnD VVVVLWCI LWCoxn 21THGD VV 沟道夹断 Pinch-off 221 THGSoxnD VVLWCI 2THGSD VVI 有源区 饱和区 李国林 电子电路与系统基础 16 DSVDIO 截止 区 欧姆 区 THGD VV THGS VV THGS VV THGD VV THGD VV sa tDSTHGSDS VVVV ,THGS VV 221DSDSTHGSoxnD VVVVLWCI 221 THGSoxnD VVLWCI satDSDS V
12、V ,饱和区 有源区 清华大学电子工程系 2011年 VDS大于饱和电压 沟道长度变短 17 N N S D VGS G 0 L THGS VV sa tDSTHGSDS VVVV ,THGD VV 沟道夹断点 P L THGP VV LL 221 THGSoxnD VVLWCI LLVVLWCI THGSoxnD 221 DSTHGSoxnD VVVLWCI 121 2P L DSDSs atDSDSVVLLVVLLLLLLLLL111111,VDS P 沟道长度调制效应 Channel-Length Modulation 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 18 D
13、SVDIO 截止 区 欧姆 区 THGD VV THGS VV THGS VV THGD VV THGD VV THGS VV 有源区 EV厄利电压 DSTHGSoxnEDSETHGSoxns atDSEDSETHGSoxnVVVVLLTHGSoxnDVVVLWCVVVVVLWCVVVVVVLWCLLLVVLWCIs a tDSDSDSE12121212122,22,EV1VVVVVVVsatDSDSE11.05100, MOSFET 伏安特性 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 19 有源区： active region DSVDIOGSV截止 区： cutoff r
14、egion 欧姆 区： ohmic region THGS VV THGD VV THGS VV THGD VV THGS VV 0DI DSTHGSD VVVI 12 2212DSDSTHGSD VVVVI LWCoxn 21EV1体效应：衬底寄生 JFET 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 20 N N S D VGS G B VDS VB sisiD tCoxoxox tC5.02.0oxDCC VVVVV SBTHTH 220 MOS电容控制沟道 PN反偏耗尽层电容 同样也会控制沟道 P 衬底通过耗尽层电容控制沟道，具有寄生 JFET控制效应，称为体效应 正常
15、 MOSFET通过 MOS电容控制沟道，形成非线性电阻特性 215.04.0 VMOSFET电路符号 21 S D N N P G NMOS S D P P N G PMOS G D S B G D S G D S G D S B G D S G D S Source：源：多子从此极发出 Drain：漏：多子从此极漏走 B B 衬底连在最低电位 衬底连在最高电位 衬底至少和源连在一起 衬底至少和源连在一起 伏安特性方程：欧姆区 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 G D S B G D S G D S B G D S 2, 212DSDSnTHGSnD VVVVI 2,
16、 212SDSDpTHSGpD VVVVI noxnn LWC 21poxpp LWC 2122 MOSFET 大纲 MOSFET受控机制 基于 MOSFET伏安特性的电路等效 有源区等效电路：压控流源 截止区和欧姆区等效电路：开关 基本应用电路 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 23 2.1 有源区等效：电路方程 24 dsdsgsmDdsVVDSDgsVVGSDDSGSdsDSgsGSDvgvgIvVIvVIVVfvVvVfIDSGSDSGS0,0000.,0000 DSTHGSDSGSD VVVVVfI 1, 2 EDDDSDQTHGSQDSDdsTHGSDQD
17、STHGSQGSDmVIIVIVVVIgVVIVVVVIg00002001212 020000 1, DSTHGSDSGSD VVVVVfI 假设小信号足够小 直流分析：非线性分析 交流小信号分析：线性分析 0GI1端口开路 2端口电流 dsdsgsmd vgvgi 等效电路 李国林 电子电路与系统基础 25 G D S S 0GIdDdsdsgsmDDiIvgvgII00gG iI 0gsGS vV 0GSDI ,0 gsmvgdsr dsDS vV 0dD iI 00GI0GSVGSDI ,00DSV0DIgigsvgsmvgdsr dsvdi直流非线性受控源电路模型 交流小信号线性跨导放
18、大器电路模型 电路伏安特性方程 电路方程对应的电路模型 20,00,0000 ,THGSGSDdsDSGSDDSGSDVVIrVIVVfI dsr见下页推导 直流非线性分析 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 26 0GI0GSVGSDI .00DSV0DI直流非线性受控源电路模型 G D S S dsDSGSDDSGSDGSDDSGSDDSTHGSDSGSDrVIVIIVIVVVVVfI0,00,0,00,0020000 11,THGS VV satDSDS VV ,0,011DGSDds IIr dsr 2.0 THGSGSD VVI 交流小信号线性电路模型 李国林
19、 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 27 G D S S gigsvgsmvgdsr dsvdi交流小信号线性跨导放大器电路模型 小信号微分跨导 0010012DEDQDSDdsTHGSDQGSDmIVIVIrVVIVIg小信号微分电阻 THGS VV satDSDS VV ,2.2 欧姆区等效：电路方程 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 28 2212,DSDSTHGSDSGSD VVVVVVfI 0GI1端口开路 dsdsgsmDD vgvgII 0 2000000 212,DSDSTHGSDSGSD VVVVVVfI 0010212DSTHGS
20、QDSDdsDSQGSDmVVVVIrVVIg2端口非线性电流方程 交直流分析 dsdsgsmd vgvgi 直流非线性分析 交流线性分析 交流小信号线性电路模型 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 29 G D S S gigsvgsmvgdsr dsvdi交流小信号线性跨导放大器电路模型 小信号微分跨导 小信号微分电阻 THGS VV satDSDS VV , 0010212DSTHGSQDSDdsDSQGSDmVVVVIrVVIg和饱和区模型形式一样，但我们几乎不用这个模型！ 传输参量矩阵 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 30 gigsvgsmvgdsr dsvdi000011110011immvmdsmCSARGAgrgA B C DmmdsmvgGrgA00输入端开路，不用电流源激励 输出开路电压增益：本征电压增益 输出短路跨导增益：本征跨导增益
