模擬電子技術(shù)1[1]4場效應(yīng)管課件教案

1、 場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導體器場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是件。它體積小、工藝簡單，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。目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。 場效應(yīng)管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。場效應(yīng)管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。 場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(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） 增強型（增強型（EMOS） 耗盡

2、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，不管工作原理相似，不同之處僅在于同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反此導致加在各極上的電壓極性相反。 N+N+P+P+PUSGDq 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 P型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度 N溝道溝道EMOS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) )。 U接電路最低電

3、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。 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)并與形成空間電荷區(qū)并與PN結(jié)相通（反型層）結(jié)相通（反型層）VGS 排斥空穴，吸引電子，襯排斥空穴，吸引電子，襯

4、底表層負離子底表層負離子 、電子、電子 VGS 開啟電壓開啟電壓VGS(th)形成形成N型導電溝道型導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，導電能力越強。越多，導電能力越強。反型層反型層 VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設(shè)（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時此時W近似不變近似不變，即即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。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVD

5、S- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當當VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時時 A點出現(xiàn)預夾斷點出現(xiàn)預夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點左移點左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為l 不變（即不變（即Ron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- + -

6、 + AVDS ID 基本維持不變?；揪S持不變。 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則則VDS 溝道長度溝道長度l 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 變化變化的關(guān)系曲線：的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS 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。 MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱稱單極型器件。單極型器件。 三極三極管中多子、少子同時參與導電，故稱管中多子、少子同時參與導電，故稱雙雙極型器件。極型器件。 利用半導體表面的電場

7、效應(yīng)，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：工作原理： 由于由于MOS管柵極電流管柵極電流為零，故不討論輸入特為零，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效應(yīng)管同一物理過程，轉(zhuǎn)移

8、特性與輸出特性反映場效應(yīng)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。 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：特點：ID同時受同時受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 /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V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(yīng)的工作區(qū)。溝道預夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS

9、VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(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)（又稱有源區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：相當于相當于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V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=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大增大到一定

10、值時到一定值時漏襯漏襯PN結(jié)雪崩擊穿結(jié)雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管穿通擊穿。穿通擊穿。 由于由于MOS管管COX很小，因此當帶電物體（或人）很小，因此當帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)生絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓很大的電壓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：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

11、制VGS間間最大電壓，同時對感最大電壓，同時對感 生生電荷起旁路作用。電荷起旁路作用。 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS對對ID的控制作的控制作用用, ,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉(zhuǎn)移特性曲線中轉(zhuǎn)移特性曲線中, ,ID = =0 時對應(yīng)的時對應(yīng)的VGS值值, ,即開啟即開啟電壓電壓VGS（th） 。q P溝道溝道EMOS管

12、管+ -+ - VGSVDS+ - + - NN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管與管與P溝道溝道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負、零均可。正、負、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表達式表達式與與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。q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(

13、th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q 飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性 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)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |VGS(th) |，q JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道溝道JFETP溝道溝道JFETN+N+PGSDq N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工

14、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)q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：溝道全夾斷的工作區(qū)溝道全夾斷的工作區(qū)條件：條件： VGS 0，ID流入管子漏極。流入管子漏極。 P溝道溝道FET：VDS 0，ID自管子漏極流出。自管子漏極流出。 JFET管管： VGS與與VDS極性相反。極性相反。 增強型：增強型：VGS 與與VDS 極性相同。極性相同。耗盡型：耗盡型：VGS 取值任意。取值任意。MOSFET管管1.4.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù) 1、直流參數(shù) 2、交流參數(shù) 3、極限參數(shù)1、直流參數(shù)()0

15、 , GSDSGS offuuU耗盡型場效應(yīng)管： 時對應(yīng)的漏極電流。DSSI（1） 飽和漏極電流 2 GSU（off）（ ） 夾斷電壓DSDGSuiu耗盡型場效應(yīng)管：一定時，使 減小某一微小值 時所需的值。 GS thU（ ）（3） 開啟電壓DSDGSuiu增強場效應(yīng)管：一定時，使 達到某一固定值 時所需的值。4 GSR（ ） 柵源電阻7910 10 GSGSGURI結(jié)型場效應(yīng)管；絕緣柵型場效應(yīng)管2. 交流參數(shù)(1) mDmDSGSGSDgiguuui低頻跨導常數(shù)體現(xiàn)對 的控制作用(2) , gsgddsCCC極間電容包括極間電容越小, 高頻性能越好3. (1) , DMDDDSDMDDMPPi uPPP極限參數(shù)漏極最大允許耗散功率若使管子溫度升高, 容易損壞()(2) ,BR DSD