模擬電子線路31MOS場效應(yīng)管ppt課件

1、P溝道溝道PMOS N溝道溝道NMOS P溝道溝道PMOS N溝道溝道NMOS 加強(qiáng)型加強(qiáng)型EMOS 耗盡型耗盡型DMOS Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物氧化物-半半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱 MOS 場效應(yīng)管。場效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá) 109 以上。以上。VGS = 0 時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；VGS = 0 時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱加強(qiáng)型場效應(yīng)管。時漏源間

2、不存在導(dǎo)電溝道稱加強(qiáng)型場效應(yīng)管。 N溝道溝道MOS管與管與P溝道溝道MOS管任務(wù)原理類似，不管任務(wù)原理類似，不同之處僅在于它們構(gòu)成電流的載流子性質(zhì)不同，因同之處僅在于它們構(gòu)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。此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。 q N溝道溝道EMOSFET構(gòu)造表示圖構(gòu)造表示圖N+N+P+P+PUSGD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電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度源極源極 S ( Source ) 漏極漏極 DDrain 襯底引線襯底引線 U柵極柵極 G ( Gate )N 溝

3、道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管的構(gòu)造表示圖的構(gòu)造表示圖 N N溝道溝道EMOSEMOS管外部任務(wù)條件管外部任務(wù)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 (構(gòu)成導(dǎo)電溝道構(gòu)成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS- + - + - + - + VGSq N N溝道溝道EMOSEMOS管任務(wù)原理管任務(wù)原理柵柵襯之間相當(dāng)襯之間相當(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。 絕緣柵場效應(yīng)管利用絕緣柵場效應(yīng)管利用 VGS 來控制來控制“感應(yīng)電荷的多少，感應(yīng)電荷的

4、多少，改動由這些改動由這些“感應(yīng)電荷構(gòu)成的導(dǎo)電溝道的情況，以控制感應(yīng)電荷構(gòu)成的導(dǎo)電溝道的情況，以控制漏極電流漏極電流 ID。任務(wù)原理分析：任務(wù)原理分析：(1)VGS = 0(1)VGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個背靠漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SUD N溝道溝道EMOSFET溝道構(gòu)成原理溝道構(gòu)成原理 假設(shè)假設(shè)VDS =0VDS =0，討論，討論VGSVGS作用作用VGG(2) VDS = 0(2) VDS = 0，0 VGS 0 VGS pVGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導(dǎo)電才干越強(qiáng)。

5、越多，導(dǎo)電才干越強(qiáng)。反型層反型層 VDS對溝道的控制假設(shè)對溝道的控制假設(shè)VGS VGS(th) 且堅持不且堅持不變變 VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時溝道深度近似不變，即。此時溝道深度近似不變，即Ron不不變。變。由圖由圖 VGD = VGS - VDS因此因此 VDS ID線性線性 。 假設(shè)假設(shè)VDS 那么那么VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增增大。大。此時此時 Ron Ron ID ID 變慢變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當(dāng)當(dāng)VDS添加到使添加到使VGD =VGS(th

6、)時時 A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷夾斷 假設(shè)假設(shè)VDS 繼續(xù)繼續(xù)A點(diǎn)左移點(diǎn)左移出現(xiàn)夾斷出現(xiàn)夾斷區(qū)區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS 恒定恒定假設(shè)忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，那么近似以為假設(shè)忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，那么近似以為l l 不變即不變即RonRon不不變。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 根本維持不變。根本維持不變。 假設(shè)思索溝道長度調(diào)制效應(yīng)假設(shè)思索溝道長度調(diào)制效應(yīng)那么那么VDS VDS 溝道長度溝道長度l l 溝道電

7、阻溝道電阻RonRon略略 。因此因此 VDS VDS ID ID略略 。由上述分析可描畫出由上述分析可描畫出IDID隨隨VDS VDS 變化的關(guān)系曲線：變化的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲線外形類似三極管輸出特性。曲線外形類似三極管輸出特性。 MOS管僅依托一種載流子多子導(dǎo)電，故管僅依托一種載流子多子導(dǎo)電，故稱單極型器件。稱單極型器件。 三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。極型器件。 利用半導(dǎo)體外表的電場效應(yīng)，經(jīng)過柵源電壓利用半導(dǎo)體外表的電場效應(yīng)，經(jīng)過柵源電壓VGS的變化，改動感生電荷的多少，從而改動的變化，改動

8、感生電荷的多少，從而改動感生溝道的寬窄，控制漏極電流感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET任務(wù)原理：任務(wù)原理： 由于由于MOSMOS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 = 常常數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常常數(shù)數(shù)輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG0VGSID+- - 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 NEMOS管

9、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同時受同時受VGS與與VDS的控制的控制。當(dāng)當(dāng)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，表現(xiàn)為一種電阻特性；性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V當(dāng)當(dāng)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(yù)夾斷前對應(yīng)的任務(wù)區(qū)。溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的任務(wù)區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 思索到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨思索到溝道長度調(diào)

10、制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDSVDS的添加略有上翹。的添加略有上翹。留意：飽和區(qū)又稱放大區(qū)對應(yīng)三極管的放大區(qū)。留意：飽和區(qū)又稱放大區(qū)對應(yīng)三極管的放大區(qū)。數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：假設(shè)思索溝道長度調(diào)制效應(yīng)，那么假設(shè)思索溝道長度調(diào)制效應(yīng)，那么ID的修正方程的修正方程： 任務(wù)在飽和區(qū)時，任務(wù)在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：從平方律關(guān)系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l 有關(guān)。有關(guān)。通

11、常通常 =( 0.005 0.03 )V-1q 截止區(qū)截止區(qū)特點(diǎn)：特點(diǎn)：相當(dāng)于相當(dāng)于MOSMOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未構(gòu)成時的任務(wù)區(qū)溝道未構(gòu)成時的任務(wù)區(qū)條件：條件： VGS VGS(th) ID=0以下的任務(wù)區(qū)域。以下的任務(wù)區(qū)域。IG0，ID0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大到一定值時增大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(dāng)帶電物體或人很小，因此當(dāng)帶電物體

12、或人接近金屬柵極時，感生電荷在接近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q /COX)，使絕緣層擊穿，使絕緣層擊穿，呵斥呵斥MOS管永久性損壞。管永久性損壞。MOS管維護(hù)措施：管維護(hù)措施：分立的分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。管：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間最大電壓，同時對感間最大電壓，同時對感 生電荷起旁路作用。生電荷起旁路作用。 NEMOS 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VD

13、SVDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGSVGS對對IDID的控制的控制造用造用, ,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到?？捎奢敵鎏匦赞D(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 ,ID =0 時對應(yīng)的時對應(yīng)的VGSVGS值值, ,即開即開啟電壓啟電壓VGSVGSthth 。q 襯底效應(yīng)襯底效應(yīng) 集成電路中，許多集成電路中，許多MOSMOS管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證U U與與S S、D D之間之間PNPN結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位結(jié)反偏，襯底

14、應(yīng)接電路最低電位N N溝道或最高電位溝道或最高電位P P溝道。溝道。 假設(shè)假設(shè)| 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-2V-4V-4V根據(jù)襯底電壓對根據(jù)襯底電壓對IDID的控制造用，又稱的控制造用，又稱U U極為背柵極。極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- +- +- +- +阻撓層寬度阻撓層寬度 外表層中電子數(shù)外表層中電子數(shù) q P P溝道溝道EMOSEMOS管管+ - + - VGSVDS+ - + - SGUDNN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管

15、與管與P溝道溝道EMOS管任務(wù)原理類似。管任務(wù)原理類似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負(fù)、零均可正、負(fù)、零均可。外部任務(wù)條件：外部任務(wù)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)式與表達(dá)式與EMOS管一樣。管一樣。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(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q

16、 飽和區(qū)放大區(qū)外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型飽和區(qū)放大區(qū)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)放大區(qū)任務(wù)條件飽和區(qū)放大區(qū)任務(wù)條件|VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)可變電阻區(qū)數(shù)學(xué)模型非飽和區(qū)可變電阻區(qū)數(shù)學(xué)模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq FET FET直流簡化電路模型直流簡化電路模型( (與三極管相對照與三極管相對照) ) 場效應(yīng)管場效應(yīng)管G、S之間開路之間開路 ，IG0。三極管發(fā)射結(jié)

17、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) VBE(on) 。 FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為流控電流源，滿足三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=IC= IB IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDV GSSDGIDIG0ID(VGS )+-VBE(on)ECBICIBIB +-q MOS管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路模型(與三極管對照與三極管對照) gmvgsrdsgdsicvgs-vds+- rds為場效應(yīng)管輸出電阻：為場效應(yīng)管輸出電阻： 由于場效應(yīng)管由于

18、場效應(yīng)管IG0，所以輸入電阻，所以輸入電阻rgs 。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rbe較小。較小。CQACQce)/(1IVIr與三極管輸出電阻表達(dá)式與三極管輸出電阻表達(dá)式 類似。類似。)/(1DQdsIrrbercebceibic+-+vbevcegmvbe MOS管跨導(dǎo)管跨導(dǎo)QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管跨導(dǎo)三極管跨導(dǎo)CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即數(shù)量級以上，即MOS管放大才干比三

19、極管弱。管放大才干比三極管弱。q 計及襯底效應(yīng)的計及襯底效應(yīng)的MOSMOS管簡化電路模型管簡化電路模型 思索到襯底電壓思索到襯底電壓vusvus對漏極電流對漏極電流idid的控制造用，小的控制造用，小信號等效電路中需添加一個壓控電流源信號等效電路中需添加一個壓控電流源gmuvusgmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上稱背柵跨導(dǎo)，工程上mQusDmugvig 為常數(shù)，普通為常數(shù)，普通 = 0.1 0.2q MOS管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型 當(dāng)高頻運(yùn)用、需計及管子極間電容影響時，應(yīng)采當(dāng)高頻運(yùn)用、需計及管子極間電容影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。用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襯與漏源極間電容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 場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法類似，可以采用估算法分析電路直流任務(wù)點(diǎn)；采類似，可以采用估算法分析電路直流任務(wù)點(diǎn)；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)