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1、电子电路与系统基础电子电路与系统基础 理论课第九讲理论课第九讲 MOSFET 李国林李国林 清华大学电子工程系清华大学电子工程系 晶体管晶体管 transistor 晶体管晶体管transistor transfer resistor：转移电阻器：转移电阻器 受第三端控制的两端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输出电流受控于控制端电压或控制端电
2、流 等效为受控电流源时，一定存在直流偏置源为其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提供能量，等效受控电流源的能量源自直流偏置 源源 2 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 晶体管分类晶体管分类 根据导电载流子类型分类根据导电载流子类型分类 双极型：双极型：bipolar transistor 两种载流子参与导电或导电控制两种载流子参与导电或导电控制 BJT， minority-carrier devices 少子器件少子器件 单极型：单极型：unipolar transistor 只有一载流子参与导电只有一载流子参与导电
3、 MOSFET，JFET， majority carrier device 多子器件多子器件 根据导电受控特性分类根据导电受控特性分类 场效应：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电场控制导电：通过电容性耦合实现导电控制 MOSFET，JFET， 势效应：势效应：potential effect transistor 电势控制导电：通过直接接触实现导电控制电势控制导电：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 导电通道导电通道 源极源极 漏极漏极 栅极栅极 导电通道导电通道 发
4、射极发射极 集电极集电极 基极基极 FET PET MOSFET 大纲大纲 MOSFET受控机制受控机制 基于基于MOSFET伏安特性的电路等效伏安特性的电路等效 有源区等效电路：压控流源有源区等效电路：压控流源 截止区和欧姆区等效电路：开关截止区和欧姆区等效电路：开关 基本应用电路基本应用电路 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受控特性受控特性 元件约束方程元件约束方程 5 恒恒流区：流区：constant current region 有源区：有源区：active region 饱和区：饱和区：saturation region（MOSFET）
5、DS V D I O GS V NMOSFET：N沟道沟道MOS场效应管场效应管 截止截止区：区：cutoff region 亚阈值区：亚阈值区：subthreshold region （MOSFET） 欧姆欧姆区：区：ohmic region 线性区：线性区：linear region （MOSFET） 三极管区：三极管区：triode region （MOSFET） 饱和区：饱和区：saturation region（BJT） D I 0 DS V GS V gateG: drainD: sourceS : MOSFET的伏安特性就是一个受控的非线性电阻伏安特性的伏安特性就是一个受控的非线
6、性电阻伏安特性 BJT伏安特性类似伏安特性类似 栅极栅极 漏极漏极 源极源极 漏极漏极 电流电流 漏源电压漏源电压 栅源电压栅源电压 THGS VV THGD VV THGS VV THGS VV THGD VV 阈值电压阈值电压 G I 栅极栅极 电流电流 DSGSD G VVfI I , 0 MOSFET三个区域是如何形成的？三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：恒流区：constant current region DS V D I O GS V 截止截止区：区：cutoff region 欧姆欧姆区：区：ohmic region
7、 THGS VV THGD VV THGS VV THGD VV THGS VV THGSDS VVV THGSDS VVV satDSTHGSDS VVVV , 两个孤岛：漏源不导电两个孤岛：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：最低电位 为了确保同一基片上的晶体管相互独立为了确保同一基片上的晶体管相互独立 S D N N P VDS PN结反偏耗尽层结反偏耗尽层 漏源不导电漏源不导电 S：Source：源极：源极 D：Drain：漏极：漏极 B：Bulk：衬底：衬底 MOSFET 加一个控制端：栅极加一个控制端：栅极 李国林 电子电路与系
8、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：源极 D：Drain：漏极：漏极 B：Bulk：衬底：衬底 G：Gate：栅极：栅极 门：打开门门：打开门，关上关上 门门，控制端控制端 G M：Metal：金属：金属 O：Oxide：氧化物：氧化物 S：Semiconductor：半导体：半导体 F：Field：场：场 E：Effect：效应：效应 T：Transistor：晶体管：晶体管 MOSFET结构结构 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 G B L W 控制电压形成沟道控制电压形成沟道 B S
9、 D N N P VGS G VDS=0 0 GS V THGS VV THGS VV THGS VV VGS很小时很小时：漏源无法形成沟：漏源无法形成沟 道道，截止状态：截止状态：DS不导电不导电 VGS=VTH时：氧化层下方时：氧化层下方P型型 区的空穴全部耗尽区的空穴全部耗尽 VGSVTH时：氧化层下方形成时：氧化层下方形成 反型层反型层，形成导电沟道形成导电沟道 VTH：阈值电压：阈值电压 VGS高于高于VTH越多越多，导电沟道导电沟道 越厚越厚，沟道内可移动电荷数沟道内可移动电荷数 目越多目越多，DS间电阻就越小间电阻就越小， DS电流就越大：受控电流源电流就越大：受控电流源， 受控
10、电阻受控电阻 xTHGSox LQVVWLCVCQ 0 沟道内的总电荷量沟道内的总电荷量 THGSoxx VVWCQ 栅沟电压栅沟电压VGS决定单位长度电荷量决定单位长度电荷量 ox ox ox t C SiO2介电常数介电常数 SiO2厚度厚度 栅氧层单位栅氧层单位 面积电容面积电容 DS导通：导通：VDS较小较小 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 satDSTHGSDSGDTH VVVVVV , xxQxQ x THGSoxx VxVVWCxQ DS VLV V 00
11、THGSoxx VVWCQ0 THGDoxx VVWCLQ xvVxVVWCI THGSoxD x xvxQ t xxQ t Q I x x D ?xV 沟道电荷分布不再均匀沟道电荷分布不再均匀 x,x+ x区域内总电荷量区域内总电荷量 导通特性：导通特性：VDS小于饱和电压小于饱和电压 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2011年 12 B S D N N P VGS G VDS0 0 L x THGS VV THGD VV satDSTHGSDS VVVV , vVxVVWCI THGSoxD Ev 电荷运动速度等于载流子迁电荷运动速度等于载流子迁 移率与电场强度之积移率与电
12、场强度之积 dx xdV xEx dx xdV VxVVWCI nTHGSoxD xdVVxVVCWdxI THGSoxnD xne Evv 导通特性：导通特性：VDS小于饱和电压小于饱和电压 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 satDSTHGSDS VVVV , xdVVxVVCWdxI THGSoxnD DS V THGSoxn L D xdVVxVVCW dxI 0 0 2 0 2 2 1 2 1 DSDSTHGSoxn V THGSoxn D VVVVCW VVVVCW LI DS
13、 导通特性：导通特性：VDS小于饱和电压小于饱和电压 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 satDSTHGSDS VVVV , 2 2 1 DSDSTHGSoxnD VVVV L W CI L W C VVVVI oxn DSDSTHGSD 2 1 2 1 2 2 导通特性：导通特性：VDS等于饱和电压等于饱和电压 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 N N P VGS G VDS0 0 L THGS VV satDSTHGSDS VVVV , 2 2 1 DSDSTHGSoxnD VVVV L W CI L W Cox n 2 1 THGD VV 沟道夹断沟道夹断 Pinch-off 2 2 1 THGSoxnD VV L W CI 2 THGSD VVI 有源区有源区 饱和区饱和区 李国林 电子电路与系统基础 16 DS V D I O 截止截止区区 欧姆欧姆区区 THGD VV THGS VV THGS VV THGD VV THGD VV satDSTHGSDS VVVV , THGS VV 2 2 1 DSDS
