場效應管工作原理與應用精品課件

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