第3章場效應管學習教案

1、會計學1第第3章場效應管章場效應管第一頁，共49頁。23.1MOS 場效應管場效應管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增強型增強型( (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，不同之處管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此(ync)導致加在各導致加在各極上的電壓極性相反。極上的電壓極性相反。 第1頁/共49頁第二頁，共49頁。3N+N+P

2、+P+PUSGD3.1.1增強型增強型 MOS 場效應管場效應管q N 溝道溝道(u do) EMOSFET 結構示意結構示意圖圖源極源極漏極漏極襯底襯底極極 SiO2絕緣絕緣層層金屬柵極金屬柵極P 型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長溝道長度度W溝道溝道寬度寬度第2頁/共49頁第三頁，共49頁。4 N N 溝道溝道 EMOS EMOS 管外部管外部(wib)(wib)工工作條件作條件 VDS 0 (保證保證(bozhng)漏襯漏襯 PN 結反偏結反偏)。 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(xin lin)(保證源襯保證源襯 PN 結反偏結反偏)。 VG

3、S 0 ( (形成導電溝道形成導電溝道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N溝道溝道 EMOS 管管工作原理工作原理柵柵 襯之間襯之間相當相當于以于以 SiO2 為介質(zhì)為介質(zhì)的平板電容器。的平板電容器。第3頁/共49頁第四頁，共49頁。5 N 溝道溝道(u do) EMOSFET 溝道溝道(u do)形成原理形成原理 假設假設(jish) VDS = 0，討論，討論 VGS 作作用用PP+N+N+SGDUVDS = 0- + - + VGS形成空間電荷形成空間電荷區(qū)區(qū)并與并與 PN 結相通結相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負離子負離子 、電子、電子 V

4、GS 開啟電壓開啟電壓VGS(th)形成形成 N 型導電溝型導電溝道道表面層表面層 npVGS 越大，反型層中越大，反型層中 n 越多，導電越多，導電(dodin)能力越強。能力越強。反型層反型層第4頁/共49頁第五頁，共49頁。6 VDS 對溝道的控制對溝道的控制(kngzh)(假設假設 VGS VGS(th) 且保持不變且保持不變) VDS 很小時很小時 VGD VGS 。此時。此時(c sh) 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(ync) VDS ID 線性線性 。 若若 VDS 則則 VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron

5、增大。增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 第5頁/共49頁第六頁，共49頁。7 當當 VDS 增加到使增加到使 VGD = VGS(th) 時時 A 點出現(xiàn)點出現(xiàn)(chxin)預夾斷預夾斷 若若 VDS 繼續(xù)繼續(xù) A 點左移點左移 出現(xiàn)出現(xiàn)(chxin)夾夾斷區(qū)斷區(qū)此時此時(c sh) VAS = VAG + VGS = -VGS(th) + VGS (恒定恒定)若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為 l 不變不變( (即即 R

6、on不變不變) )。因此預夾斷后：因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本維持不變?；揪S持不變。 第6頁/共49頁第七頁，共49頁。8 若考慮溝道長度調(diào)制若考慮溝道長度調(diào)制(tiozh)效應效應則則 VDS 溝道溝道(u do)長度長度 l 溝道溝道(u do)電電阻阻 Ron略略 。因此因此(ync) 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 變化的關系曲線：變化的關系曲線：IDVDSOVGS VGS(th)VGS一定一定曲線

7、形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。第7頁/共49頁第八頁，共49頁。9 MOS 管僅依靠一種管僅依靠一種(y zhn)載流子載流子(多子多子)導電，故稱單極導電，故稱單極型器件。型器件。 三極管中多子、少子三極管中多子、少子(sho z)同時參與導電，故稱雙極同時參與導電，故稱雙極型器件。型器件。利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓 VGS 的變的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄(kunzhi)，控制漏極電流，控制漏極電流 ID 。MOSFET 工作原理：工作原理：第8頁/共

8、49頁第九頁，共49頁。10由于由于 MOS 管柵極電流為管柵極電流為零 ， 故 不 討 論 輸 入 特 性零 ， 故 不 討 論 輸 入 特 性(txng)曲線。曲線。 共源組態(tài)共源組態(tài)(z ti)特性曲線特性曲線：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 伏安伏安(f n)(f n)特特性性+TVDSIG 0VGSID+- - -轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。 第9頁/共49頁第十頁，共49頁

9、。11 N E M O S N E M O S 管 輸 出 特 性 曲 線管 輸 出 特 性 曲 線(qxin)(qxin)q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點特點(tdin)(tdin)：ID 同時同時(tngsh)受受 VGS 與與 VDS 的控制。的控制。當當 VGS為常數(shù)時，為常數(shù)時，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當當 VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，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。 溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。溝道預夾斷

10、前對應的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)考慮到溝道長度調(diào)制效應，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(diào)制效應，輸出特性曲線隨 VDS 的增加的增加略有上翹。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)) )對應對應三極管的放大區(qū)。三極管的放大區(qū)。第12頁/共49頁第十三頁，共49頁。14數(shù)學模型：數(shù)學模型：若考慮溝道長度若考慮溝道長度(chngd)調(diào)制效應，則調(diào)制效應，則 ID 的修正方的修正方程：程： 工作在飽和區(qū)時，工作在飽和區(qū)時，MOS 管的正向受控作用管的正向受控作用(zuyng)，服從，服從平方律關系式：平

11、方律關系式：其中，其中， 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)稱溝道長度調(diào)制系數(shù)(xsh)，其值與，其值與 l 有關。有關。通常通常 = (0.005 0.03 )V- -1第13頁/共49頁第十四頁，共49頁。15q 截止截止(jizh)(jizh)區(qū)區(qū)特點特點(tdin)：相當于相當于 MOS 管三個電極管三個電極(dinj)斷開。斷開。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(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

12、增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯 PN 結雪崩擊穿結雪崩擊穿 ID 劇增。劇增。 VDS 溝道溝道 l 對于對于 l 較小的較小的 MOS 管管 穿通擊穿。穿通擊穿。第14頁/共49頁第十五頁，共49頁。16由于由于 MOS 管管 COX 很小，因此當帶電物體很小，因此當帶電物體(或人或人)靠靠近金屬柵極時，感生電荷在近金屬柵極時，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)，使絕緣層擊穿，使絕緣層擊穿(j chun)，造，造成成 MOS 管永久性損壞。管永久性損壞。MOS 管保護措施：管保護措施：分立的分立的 MOS 管：各極引線短接、烙

13、鐵管：各極引線短接、烙鐵(lo tie)外殼接外殼接地。地。MOS 集成電路集成電路(jchng-dinl)：TD2D1D1 D2 一方面限制一方面限制 VGS 間最間最大電壓，同時對感大電壓，同時對感 生電荷起生電荷起旁路作用。旁路作用。第15頁/共49頁第十六頁，共49頁。17 NEMOS NEMOS 管轉(zhuǎn)移管轉(zhuǎn)移(zhuny)(zhuny)特性曲特性曲線線VGS(th) = 3VVDS = 5 V轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線(qxin)反映反映 VDS 為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS 對對 ID 的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。 ID/mAVDS /VOVDS

14、 = 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 時對應時對應(duyng)的的 VGS 值，即開啟電壓值，即開啟電壓 VGS(th) 。第16頁/共49頁第十七頁，共49頁。18q 襯底效應襯底效應(xioyng)(xioyng)集成電路中，許多集成電路中，許多 MOS 管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證(bozhng) U 與與 S、D 之間之間 PN 結反偏，襯底應接電路最低電位結反偏，襯底應接電路最低電位(N 溝道溝道)或最高電位或最高電位(P 溝道溝道

15、)。 若若| VUS | - - +VUS耗盡層中負離子數(shù)耗盡層中負離子數(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)襯底電壓對根據(jù)襯底電壓對 ID 的控制作用，又稱的控制作用，又稱 U 極為極為(j wi)背柵極背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層中電子電子數(shù)數(shù) 第17頁/共49頁第十八頁，共49頁。19q P P 溝道溝道(u do) (u do) EMOS EMOS 管管+ -+ - VGSVDS+ -+ - SGUDNN+P+SGDU

16、P+N 溝道溝道 EMOS 管與管與 P 溝道溝道 EMOS 管工作原理管工作原理(yunl)相相似。似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負、零均可。正、負、零均可。外部工作外部工作(gngzu)條件：條件：DMOS 管在飽和管在飽和(boh)區(qū)與非飽和區(qū)與非飽和(boh)區(qū)的區(qū)的 ID 表達式與表達式與 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。第20頁/共49頁第二十一頁，共49頁。223.1.3四種四種(s zhn) MOS 場效應場效應管比較管比較q 電路電路(dinl)(dinl)符號及

17、符號及電流流向電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移(zhuny)(zhuny)特性特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第21頁/共49頁第二十二頁，共49頁。23q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大放大(fngd)(fngd)區(qū)區(qū)) )外加電壓極性及數(shù)學模外加電壓極性及數(shù)學模型型 VDS 極性取決于溝道極性取決于溝道(u do)類型類型N 溝道溝道(u do)：VDS 0， P 溝道溝道(u do)：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS

18、(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大放大(fngd)(fngd)區(qū)區(qū)) )工作條工作條件件|VDS | |VGS(th) |，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)學模型數(shù)學模型第23頁/共49頁第二十四頁，共49頁。25q FET 直流簡化電路直流簡化電路(dinl)模型模型(與三極管相對與三極管相對照照) 場效應管場效應管 G、S 之間開路之間開路(kil) ，IG 0。三極管發(fā)射結由于三極管發(fā)射結由于(yuy)正偏而導通，等效為正偏而導通，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

19、，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 。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -第24頁/共49頁第二十五頁，共49頁。263.1.4小信號小信號(xnho)電路模電路模型型q MOS 管簡化小信號電路管簡化小信號電路(dinl)模型模型(與三極管對照與三極管對照) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds 為為場效應管場效應管輸出電阻：輸出電阻： 由于由于(yuy)場效應管場效應管 IG 0，所以輸入電阻，所以輸入電阻 rgs 。而三極管發(fā)射結正

20、偏，而三極管發(fā)射結正偏，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式輸出電阻表達式 rce 1/( ICQ) 相似。相似。rb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e第25頁/共49頁第二十六頁，共49頁。27 MOS 管跨管跨導導QGSDmvig 通常通常 MOS 管的跨導比三極管的跨導要小一個數(shù)量管的跨導比三極管的跨導要小一個數(shù)量級以上級以上(yshng)，即，即 MOS 管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。第26頁/共49頁第二十七頁，共49頁。28q 計及襯底效應的計及襯底效應的 MOS 管簡化電路管簡化電路(dinl)模型模

21、型考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓 vus 對漏極電流對漏極電流(dinli) id 的控制作用，的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流小信號等效電路中需增加一個壓控電流(dinli)源源 gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu 稱背柵跨導，稱背柵跨導，工程上工程上mQusDmugvig 為常數(shù)為常數(shù)(chngsh)，一般，一般 = 0.1 0.2。第27頁/共49頁第二十八頁，共49頁。29q MOS 管高頻管高頻(o pn)小信號電路模型小信號電路模型當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用用(

22、ciyng)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( (漏襯與漏襯與源襯之間的勢壘電容源襯之間的勢壘電容) )柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容第28頁/共49頁第二十九頁，共49頁。30場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號(xnho)(xnho)等等效電路法分析電路動態(tài)指標。效電路法分析電路動態(tài)指標。3.1.5MOS 管電

23、路管電路(dinl)分析方分析方法法場效應管估算法分析思路與三極管相同，只是由于場效應管估算法分析思路與三極管相同，只是由于(yuy)(yuy)兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯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效應管電路時，一定要注意自身特差異。因此用估算法分析場效應管電路時，一定要注意自身特點。點。q 估算法估算法第29頁/共49頁第三十頁，共49頁。31 MOS MOS 管截止模式管截止模式(msh)(msh)判斷方判斷方法法假定假定(jidng) MOS 管工作在放大模管工作在放大模式：式：放大放大(fngd)(fngd)模模式式非飽和模

24、式非飽和模式( (需重新需重新計算計算 Q 點點) )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) )由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路 VGS與與 ID 之間關系式。之間關系式。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(th)| 若若 |VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設成立。假設成立。第31頁/共49頁第三十二頁，共49頁。33q 小信號小信號(xnho)

25、(xnho)等效電等效電路法路法場效應管小信號場效應管小信號(xnho)等效電路分法與三極管相等效電路分法與三極管相似。似。 利用微變等效電路分析交流利用微變等效電路分析交流(jioli)指標。指標。 畫交流通路；畫交流通路； 將將 FET 用小信號電路模型代替；用小信號電路模型代替； 計算微變參數(shù)計算微變參數(shù) gm、rds；注：具體分析將在第注：具體分析將在第 4 章中詳細介紹。章中詳細介紹。第32頁/共49頁第三十三頁，共49頁。343.2結型場效應管結型場效應管q JFET 結構結構(jigu)示意圖及電路符號示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN 溝道溝道 JFETP 溝道溝道 JFETN+N+PGSD第33頁/共49頁第三十四頁，共49頁。35q N N溝道溝道(u do) JFET (u do) JFET 管外部工作條管外部工作條件件 VDS 0 (保證保證(bozhng)柵漏柵漏 PN 結反結反偏偏)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系，之間也滿足平方律關系，但由于但由于 JFET 與與 MOS 管結構不同，故方程不同。管結構不同，故方程不同。第40頁/共49頁第四十一頁，共49頁。4