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文檔簡介
3.2
結型場效應管3.3
場效管應用原理3.1
MOS場效應管第3章場效應管2021/8/231最新PPT概述場效應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,是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應管與三極管主要區(qū)別:
場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。
場效應管是單極型器件(三極管是雙極型器件)。場效應管分類:MOS場效應管結型場效應管2021/8/232最新PPT3.1
MOS場效應管P溝道(PMOS)
N溝道(NMOS)
P溝道(PMOS)N溝道(NMOS)MOSFET增強型(EMOS)
耗盡型(DMOS)
N溝道MOS管與P溝道MOS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不同,因此導致加在各極上的電壓極性相反。2021/8/233最新PPTN+N+P+P+PUSGD3.1.1增強型MOS場效應管N溝道EMOSFET結構示意圖源極漏極襯底極SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGUD電路符號l溝道長度W溝道寬度2021/8/234最新PPT
N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0(保證漏襯PN結反偏)。U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結反偏)。VGS>0(形成導電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+
VGS
N溝道EMOS管工作原理柵襯之間相當于以SiO2
為介質的平板電容器。2021/8/235最新PPT
N溝道EMOSFET溝道形成原理
假設VDS=0,討論VGS
作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空間電荷區(qū)并與PN結相通VGS襯底表面層中負離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層n>>pVGS
越大,反型層中n
越多,導電能力越強。反型層2021/8/236最新PPTVDS
對溝道的控制(假設VGS>VGS(th)
且保持不變)VDS
很小時→VGDVGS。此時W
近似不變,即Ron
不變。由圖
VGD=VGS-VDS因此VDS→ID
線性。
若VDS→則VGD→近漏端溝道→Ron增大。此時Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+2021/8/237最新PPT
當VDS
增加到使VGD=VGS(th)
時→A點出現(xiàn)預夾斷
若VDS
繼續(xù)→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定)若忽略溝道長度調制效應,則近似認為l
不變(即Ron不變)。因此預夾斷后:PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID
基本維持不變。
2021/8/238最新PPT
若考慮溝道長度調制效應則VDS→溝道長度l→溝道電阻Ron略。因此VDS→ID
略。由上述分析可描繪出ID
隨VDS變化的關系曲線:IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。2021/8/239最新PPTMOS管僅依靠一種載流子(多子)導電,故稱單極型器件。
三極管中多子、少子同時參與導電,故稱雙極型器件。
利用半導體表面的電場效應,通過柵源電壓VGS
的變化,改變感生電荷的多少,從而改變感生溝道的寬窄,控制漏極電流ID。MOSFET工作原理:2021/8/2310最新PPT由于MOS管柵極電流為零,故不討論輸入特性曲線。共源組態(tài)特性曲線:ID=f
(VGS)VDS=常數轉移特性:ID=f
(VDS)VGS=常數輸出特性:
伏安特性+TVDSIG
0VGSID+--轉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換。2021/8/2311最新PPT
NEMOS管輸出特性曲線
非飽和區(qū)特點:ID
同時受VGS
與VDS
的控制。當VGS為常數時,VDSID近似線性,表現(xiàn)為一種電阻特性;ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當VDS為常數時,VGSID,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)。條件:VGS>VGS(th)V
DS<VGS–VGS(th)因此,非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。
2021/8/2312最新PPT數學模型:此時MOS管可看成阻值受VGS
控制的線性電阻器:VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時,ID與VDS之間呈線性關系:其中,W、l為溝道的寬度和長度。COX
(=/OX)為單位面積的柵極電容量。注意:非飽和區(qū)相當于三極管的飽和區(qū)。2021/8/2313最新PPT
飽和區(qū)特點:
ID
只受VGS
控制,而與VDS
近似無關,表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預夾斷后對應的工作區(qū)。條件:VGS>VGS(th)V
DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長度調制效應,輸出特性曲線隨VDS
的增加略有上翹。注意:飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應三極管的放大區(qū)。2021/8/2314最新PPT數學模型:若考慮溝道長度調制效應,則ID
的修正方程:工作在飽和區(qū)時,MOS管的正向受控作用,服從平方律關系式:其中,稱溝道長度調制系數,其值與l有關。通常
=(0.005~0.03)V-12021/8/2315最新PPT
截止區(qū)特點:相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)條件:VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區(qū)域。IG
0,ID
0
擊穿區(qū)VDS
增大到一定值時漏襯PN結雪崩擊穿
ID劇增。VDS溝道l對于l較小的MOS管穿通擊穿。2021/8/2316最新PPT由于MOS管COX
很小,因此當帶電物體(或人)靠近金屬柵極時,感生電荷在SiO2
絕緣層中將產生很大的電壓VGS(=Q/COX),使絕緣層擊穿,造成MOS管永久性損壞。MOS管保護措施:分立的MOS管:各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路:TD2D1D1D2
一方面限制VGS
間最大電壓,同時對感生電荷起旁路作用。2021/8/2317最新PPT
NEMOS管轉移特性曲線VGS(th)=3VVDS
=5V轉移特性曲線反映VDS
為常數時,VGS
對ID
的控制作用,可由輸出特性轉換得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS
=5VID/mAVGS/VO12345轉移特性曲線中,ID=0時對應的VGS
值,即開啟電壓VGS(th)。2021/8/2318最新PPT
襯底效應
集成電路中,許多MOS管做在同一襯底上,為保證U與S、D之間PN結反偏,襯底應接電路最低電位(N溝道)或最高電位(P溝道)。若|VUS|
-+VUS耗盡層中負離子數因VGS
不變(G極正電荷量不變)ID
VUS
=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據襯底電壓對ID
的控制作用,又稱U極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻擋層寬度
表面層中電子數
2021/8/2319最新PPT
P溝道EMOS管+-
VGSVDS+-
SGUDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID
流向相反。不同之處:電路符號中的箭頭方向相反。ID2021/8/2320最新PPT3.1.2耗盡型MOS場效應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOSDMOS管結構VGS=0時,導電溝道已存在溝道線是實線2021/8/2321最新PPT
NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>0,VGS
正、負、零均可。外部工作條件:DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的
ID表達式與EMOS管
相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。2021/8/2322最新PPT3.1.3四種MOS場效應管比較
電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS
轉移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)2021/8/2323最新PPT
飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極性及數學模型VDS
極性取決于溝道類型N溝道:VDS>0,P溝道:VDS<0VGS
極性取決于工作方式及溝道類型增強型MOS管:VGS
與VDS
極性相同。耗盡型MOS管:VGS
取值任意。
飽和區(qū)數學模型與管子類型無關
2021/8/2324最新PPT
臨界飽和工作條件
非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))工作條件|VDS|=|VGS–
VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|,|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|,
飽和區(qū)(放大區(qū))工作條件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|,
非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))數學模型2021/8/2325最新PPTFET直流簡化電路模型(與三極管相對照)
場效應管G、S之間開路,IG
0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通,等效為VBE(on)。
FET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IC
=
IB
。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-2021/8/2326最新PPT3.1.4小信號電路模型MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)
gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-
rds
為場效應管輸出電阻:
由于場效應管IG
0,所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結正偏,故輸入電阻rbe
較小。與三極管輸出電阻表達式rce1/(ICQ)
相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe2021/8/2327最新PPTMOS管跨導通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數量級以上,即MOS管放大能力比三極管弱。2021/8/2328最新PPT
計及襯底效應的MOS管簡化電路模型考慮到襯底電壓vus
對漏極電流id
的控制作用,小信號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu
稱背柵跨導,工程上
為常數,一般=0.1~0.2。2021/8/2329最新PPTMOS管高頻小信號電路模型當高頻應用、需計及管子極間電容影響時,應采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容(漏襯與源襯之間的勢壘電容)柵漏極間平板電容2021/8/2330最新PPT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;采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。3.1.5
MOS管電路分析方法場效應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,一定要注意自身特點。
估算法2021/8/2331最新PPT
MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式:放大模式非飽和模式(需重新計算Q
點)N溝道管:VGS<VGS(th)P溝道管:VGS>VGS(th)截止條件
非飽和與飽和(放大)模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID
之間關系式。c)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:若
|VDS|>|VGS–VGS(th)|若
|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數學模型:2021/8/2332最新PPT例1已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2,VGS(th)=2V,求ID。解:假設T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入已知條件解上述方程組得:ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD
-
ID(RD+RS)=6V因此驗證得知:VDS>VGS–VGS(th),VGS>VGS(th),假設成立。2021/8/2333最新PPT
小信號等效電路法場效應管小信號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。
畫交流通路;
將FET用小信號電路模型代替;
計算微變參數gm、rds;注:具體分析將在第4章中詳細介紹。2021/8/2334最新PPT3.2結型場效應管JFET結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD2021/8/2335最新PPT
N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結反偏)VGS<0(保證柵源PN結反偏)3.2.1
JFET管工作原理P+P+NGSD
+
VGSVDS+-2021/8/2336最新PPT
VGS
對溝道寬度的影響|VGS|
阻擋層寬度若|VGS|
繼續(xù)溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD
+
VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron2021/8/2337最新PPTVDS
很小時→VGDVGS由圖VGD=VGS
-VDS因此VDS→ID
線性
若VDS→則VGD→近漏端溝道→Ron
增大。此時Ron→ID變慢
VDS
對溝道的控制(假設VGS一定)NGSD
+VGSP+P+VDS+-此時W
近似不變即Ron
不變2021/8/2338最新PPT
當VDS
增加到使VGD=VGS(off)
時→A點出現(xiàn)預夾斷
若VDS
繼續(xù)→A點下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG
+VGS
=-VGS(off)+VGS(恒定)若忽略溝道長度調制效應,則近似認為l
不變(即Ron不變)。因此預夾斷后:VDS→ID
基本維持不變。NGSD
+VGSP+P+VDS+-ANGSD
+VGSP+P+VDS+-A2021/8/2339最新PPT利用半導體內的電場效應,通過柵源電壓VGS的變化,改變阻擋層的寬窄,從而改變導電溝道的寬窄,控制漏極電流ID。JFET工作原理:綜上所述,JFET與MOSFET工作原理相似,它們都是利用電場效應控制電流,不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。2021/8/2340最新PPT
NJFET輸出特性
非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點:ID
同時受VGS
與VDS
的控制。條件:VGS>VGS(off)V
DS<VGS–VGS(off)3.2.2
伏安特性曲線線性電阻:ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V2021/8/2341最新PPT
飽和區(qū)(放大區(qū))特點:ID
只受VGS
控制,而與VDS
近似無關。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–
VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數學模型:條件:VGS>VGS(off)V
DS>VGS–VGS(off)在飽和區(qū),JFET的ID
與VGS
之間也滿足平方律關系,但由于JFET與MOS管結構不同,故方程不同。2021/8/2342最新PPT
截止區(qū)特點:溝道全夾斷的工作區(qū)條件:VGS<VGS(off)IG
0,ID=0
擊穿區(qū)VDS
增大到一定值時近漏極PN結雪崩擊穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成
ID
劇增。VGS
越負則VGD
越負相應擊穿電壓V(BR)DS
越小2021/8/2343最新PPT
JFET轉移特性曲線同MOS管一樣,JFET的轉移特性也可由輸出特性轉換得到(略)。
ID=0時對應的VGS
值夾斷電壓VGS(off)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N溝道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)
(P溝道JFET
)VGS=0時對應的ID
值飽和漏電流IDSS。2021/8/2344最新PPT
JFET電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數學模型不同,因此,跨導計算公式不同。
JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源極)(直流電路模型)(小信號模型)利用得2021/8/2345最新PPT
各類FET管VDS、VGS
極性比較VDS極性與ID
流向僅取決于溝道類型VGS
極性取決于工作方式及溝道類型由于FET類型較多,單獨記憶較困難,現(xiàn)將各類FET管VDS、VGS
極性及ID
流向歸納如下:N溝道FET:VDS>0,ID
流入管子漏極。P溝道FET:VDS<0,ID
自管子漏極流出。JFET管:VGS
與VDS
極性相反。增強型:VGS
與VDS
極性相同。耗盡型:VGS
取值任意。MOSFET管2021/8/2346最新PPT
場效應管與三極管性能比較項目
器件電極名稱工作區(qū)導電類型輸入電阻跨導三極管e極b極c
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