場(chǎng)效應(yīng)管工作原理與應(yīng)用

1、13.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3 場(chǎng)效管應(yīng)用原理場(chǎng)效管應(yīng)用原理3.1 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管第第 3 章場(chǎng)效應(yīng)管章場(chǎng)效應(yīng)管2概概 述述場(chǎng)效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡(jiǎn)單，器件特性便于控制，是目前制造它體積小、工藝簡(jiǎn)單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場(chǎng)效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別：場(chǎng)效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別： 場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。 場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件( (三極管是雙極型器件三極管是雙極

2、型器件) )。場(chǎng)效應(yīng)管分類：場(chǎng)效應(yīng)管分類：MOS 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管33.1MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管P 溝道溝道( (PMOS) ) N 溝道溝道( (NMOS) ) P 溝道溝道( (PMOS) ) N 溝道溝道( (NMOS) ) MOSFET增強(qiáng)型增強(qiáng)型( (EMOS) ) 耗盡型耗盡型( (DMOS) ) N 溝道溝道 MOS 管與管與 P 溝道溝道 MOS 管工作原理相似，管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。 4N+N+P+P+

3、PUSGD3.1.1增強(qiáng)型增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管q N 溝道溝道 EMOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極P 型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號(hào)電路符號(hào)l溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度W溝道溝道寬度寬度5 N 溝道溝道 EMOS 管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證漏襯保證漏襯 PN 結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 U 接電路最低電位或與接電路最低電位或與 S 極相連極相連( (保證源襯保證源襯 PN 結(jié)反偏結(jié)反偏) )。 VGS 0 ( (形成導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + V

4、GSq N溝道溝道 EMOS 管管工作原理工作原理柵柵 襯之間襯之間相當(dāng)相當(dāng)于以于以 SiO2 為介質(zhì)為介質(zhì)的平板電容器。的平板電容器。6 N 溝道溝道 EMOSFET 溝道形成原理溝道形成原理 假設(shè)假設(shè) VDS = 0，討論，討論 VGS 作用作用PP+N+N+SGDUVDS = 0- + - + VGS形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)并與并與 PN 結(jié)相通結(jié)相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負(fù)離子負(fù)離子 、電子、電子 VGS 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓VGS(th)形成形成 N 型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道表面層表面層 npVGS 越大，反型層中越大，反型層中 n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型

5、層反型層7 VDS 對(duì)溝道的控制對(duì)溝道的控制( (假設(shè)假設(shè) VGS VGS(th) 且保持不變且保持不變) ) VDS 很小時(shí)很小時(shí) VGD VGS 。此時(shí)。此時(shí) W 近似不變，即近似不變，即 Ron 不變。不變。由圖由圖VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID 線性線性 。 若若 VDS 則則 VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大。增大。此時(shí)此時(shí) Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 8 當(dāng)當(dāng) VDS 增加到增加到使使 VGD = VGS(th) 時(shí)時(shí)

6、A 點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若若 VDS 繼續(xù)繼續(xù) A 點(diǎn)左移點(diǎn)左移 出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)此時(shí) VAS = VAG + VGS = - -VGS(th) + VGS ( (恒定恒定) )若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為 l 不變不變( (即即 Ron不變不變) )。因此預(yù)夾斷后：因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本維持不變。基本維持不變。 9 若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則則 VDS 溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度 l

7、溝道電阻溝道電阻 Ron略略 。因此因此 VDS ID 略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出 ID 隨隨 VDS 變化的關(guān)系曲線：變化的關(guān)系曲線：IDVDSOVGS VGS(th)VGS一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。10 MOS 管僅依靠一種載流子管僅依靠一種載流子( (多子多子) )導(dǎo)電導(dǎo)電，故稱，故稱單極單極型器件。型器件。 三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。雙極型器件。利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)柵源電壓利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)柵源電壓 VGS 的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道

8、的的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流寬窄，控制漏極電流 ID 。MOSFET 工作原理：工作原理：11由于由于 MOS 管柵極電管柵極電流為零，故不討論輸入特流為零，故不討論輸入特性曲線。性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：ID = f ( VGS )VDS = 常數(shù)常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - -轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。 12

9、NEMOS 管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：ID 同時(shí)受同時(shí)受 VGS 與與 VDS 的控制。的控制。當(dāng)當(dāng) VGS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，VDSID 近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V當(dāng)當(dāng) VDS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)考慮到溝道

10、長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨 VDS 的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)注意：飽和區(qū)( (又稱有源區(qū)又稱有源區(qū)) )對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。三極管的放大區(qū)。15數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則 ID 的修正方程：的修正方程： 工作在飽和區(qū)時(shí)，工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS 管的正向受控作用，服從管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：平方律關(guān)系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI ADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCI DS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC 其中，其中， 稱稱溝

11、道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，其值與溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關(guān)。有關(guān)。通常通常 = (0.005 0.03 )V- -116q 截止區(qū)截止區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：相當(dāng)于相當(dāng)于 MOS 管三個(gè)電極斷開(kāi)。管三個(gè)電極斷開(kāi)。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V溝道未形成時(shí)的工作區(qū)溝道未形成時(shí)的工作區(qū)條件：條件：VGS VGS(th) ID = 0 以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG 0，ID 0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS 增大增大到一定值時(shí)到一定值時(shí)漏襯漏襯 PN 結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 ID 劇增。劇增。 VDS 溝道溝道 l 對(duì)于對(duì)于 l 較小的較

12、小的 MOS 管管 穿通擊穿。穿通擊穿。17由于由于 MOS 管管 COX 很小，因此當(dāng)帶電物體很小，因此當(dāng)帶電物體(或人或人)靠靠近金屬柵極時(shí)，感生電荷在近金屬柵極時(shí)，感生電荷在 SiO2 絕緣層中將產(chǎn)生很大絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓的電壓 VGS(= Q /COX)，使，使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，造成 MOS 管永管永久性損壞久性損壞。MOS 管保護(hù)措施：管保護(hù)措施：分立的分立的 MOS 管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS 集成電路：集成電路：TD2D1D1 D2 一方面限制一方面限制 VGS 間間最大電壓，同時(shí)對(duì)感最大電壓，同時(shí)對(duì)感 生電生電荷起旁路

13、作用。荷起旁路作用。18 NEMOS 管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5 V轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映 VDS 為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，VGS 對(duì)對(duì) ID 的控制的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 VVDS = 5 VID/mAVGS /VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，轉(zhuǎn)移特性曲線中，ID = 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)對(duì)應(yīng)的 VGS 值，即開(kāi)啟值，即開(kāi)啟電壓電壓 VGS(th) 。19q 襯底效應(yīng)襯底效應(yīng)集成電路中，許多集成電路中，許多 MOS

14、管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證 U 與與 S、D 之間之間 PN 結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位( (N 溝道溝道) )或最高或最高電位電位( (P 溝道溝道) )。 若若| VUS | - - +VUS耗盡層中負(fù)離子數(shù)耗盡層中負(fù)離子數(shù) 因因 VGS 不變不變( (G 極正電荷量不變極正電荷量不變) )ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根據(jù)襯底電壓對(duì)根據(jù)襯底電壓對(duì) ID 的控制作用，又稱的控制作用，又稱 U 極為極為背柵極。背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層

15、中電子電子數(shù)數(shù) 20q P 溝道溝道 EMOS 管管+ -+ - VGSVDS+ -+ - SGUDNN+P+SGDUP+N 溝道溝道 EMOS 管與管與 P 溝道溝道 EMOS 管工作原理相似。管工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負(fù)、零均可。正、負(fù)、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS 管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的 ID 表達(dá)式表達(dá)式與與 EMOS管管 相同相同。PDMOS 與與 NDMOS 的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。233.1.3四種四種 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管比較場(chǎng)效應(yīng)管比較q 電路符號(hào)及電流流向電路

16、符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)24q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型 VDS 極性取決于溝道類型極性取決于溝道類型N 溝道：溝道：VDS 0， P 溝道：溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )工作條件工作條件|VDS | |VGS(th)

17、 |，q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)( (可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)) )數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI 26q FET 直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型( (與三極管相對(duì)照與三極管相對(duì)照) ) 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 G、S 之間開(kāi)路之間開(kāi)路 ，IG 0。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為 VBE(on) 。 FET 輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足 IC = IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI SGDIDVGSSD

18、GIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -273.1.4小信號(hào)電路模型小信號(hào)電路模型q MOS 管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型( (與三極管對(duì)照與三極管對(duì)照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds 為為場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：輸出電阻： 由于場(chǎng)效應(yīng)管由于場(chǎng)效應(yīng)管 IG 0，所以輸入電阻，所以輸入電阻 rgs 。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻故輸入電阻 rb e 較小。較小。與三極管與三極管輸出電阻表達(dá)式輸出電阻表達(dá)式 rce 1/( ICQ) 相似。相似。)/(1DQdsIr rb ercebce

19、ibic+- - -+vbevcegmvb e28 MOS 管跨導(dǎo)管跨導(dǎo)QGSDmvig 2GS(th)GSOXD)(2 VVlWCI 利用利用DQOXQGSDm22 IlWCvig 得得CQeQEBCm5 .38 Irvig 三極管跨導(dǎo)三極管跨導(dǎo)通常通常 MOS 管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即量級(jí)以上，即 MOS 管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。29q 計(jì)及襯底效應(yīng)的計(jì)及襯底效應(yīng)的 MOS 管簡(jiǎn)化電路模型管簡(jiǎn)化電路模型考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓 vus 對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流 id 的控制作用，小信的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一

20、個(gè)壓控電流源號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源 gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu 稱背柵跨導(dǎo)，稱背柵跨導(dǎo)，工程上工程上mQusDmugvig 為常數(shù)，為常數(shù)，一般一般 = 0.1 0.2。30q MOS 管高頻小信號(hào)電路模型管高頻小信號(hào)電路模型當(dāng)高頻應(yīng)用、需計(jì)及管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)采用當(dāng)高頻應(yīng)用、需計(jì)及管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間柵源極間平板電容平板電容漏源極間電容漏源極間電容( (漏襯與源漏襯與源襯之間的勢(shì)壘電容襯之間的勢(shì)

21、壘電容) )柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容31場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用似，可以采用估算法估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采用分析電路直流工作點(diǎn)；采用小信小信號(hào)等效電路法號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.5MOS 管電路分析方法管電路分析方法場(chǎng)效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由場(chǎng)效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一定要顯差異。因此用估算法分析場(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一定要注

22、意自身特點(diǎn)。注意自身特點(diǎn)。q 估算法估算法32 MOS 管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定 MOS 管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非飽和模式非飽和模式( (需重新需重新計(jì)算計(jì)算 Q 點(diǎn)點(diǎn)) )N 溝道管：溝道管：VGS VGS(th)截止條件截止條件 非飽和與飽和非飽和與飽和( (放大放大) )模式判斷方法模式判斷方法a) )由直流通路寫(xiě)出管外電路由直流通路寫(xiě)出管外電路 VGS與與 ID 之間關(guān)系式。之間關(guān)系式。c) )聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d) )判斷電路工作模式：判斷電路工作模式：若若 |VDS| |VGSVGS

23、(th)| 若若 |VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設(shè)成立。假設(shè)成立。34q 小信號(hào)等效電路法小信號(hào)等效電路法場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路分法與三極管相似。場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路分法與三極管相似。 利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。 畫(huà)交流通路；畫(huà)交流通路； 將將 FET 用小信號(hào)電路模型代替；用小信號(hào)電路模型代替； 計(jì)算微變參數(shù)計(jì)算微變參數(shù) gm、rds；注：具體分析將在第注：具體分析將在第 4 章中詳細(xì)介紹。章中詳細(xì)介紹。353.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管q JFET 結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)SGDSGDP+P+NGSDN 溝道溝道 JFETP 溝道溝道 JFETN+N+PGSD36q N溝道溝道 JFET 管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏 PN 結(jié)反偏結(jié)反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off)在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，JFET 的的 ID 與與 VGS 之間也滿足平方律關(guān)之間也滿足平方律