湖南大學電子線路課件3(場效應管)

第三章場效應管場效應管有:結型場效應管JFET金屬-氧化物-半導體型場效應管MOSFET3.1MOS場效應管MOS場效應管分：增強型EMOS，又分N管和P管耗盡型DMOS，又分N管和P管電路符號：P溝道耗盡型P溝道增強型N溝道增強型N溝道耗盡型

N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上覆蓋一層金屬鋁作為柵極G(目前多采用多晶硅)。P型半導體稱為襯底，用符號B表示。3.1.1EMOS場效應管結構

通常情況下，源極一般都與襯底極相連；正常工作時，作為源、漏區(qū)的兩個N+區(qū)與襯底之間的PN結必須外加反偏電壓。一、截止區(qū)與溝道形成VGS(th):開啟電壓，是開始形成反型層所需的vGS值。SiO2絕緣層越薄，兩個N+區(qū)的摻雜濃度越高，襯底摻雜濃度越低，VGS(th)越小。3.1.2EMOS場效應管工作原理(N溝道)

二、vGS>VGS(th)，0<vDS<vGS－VGS(th)

三、vGS>VGS(th)，vDS>vGS－VGS(th)

柵極和溝道的壓差在近源端最大，在近漏端最小，vGD＝vGS-vDS，因此溝道呈錐形分布，電流同時受vGS和vDS控制。當vDS=vGS-VGS(th)時，近漏端溝道夾斷。夾斷后，溝道長度幾乎不變，且vGA＝VGS(th)，vAS＝vGS-VGS(th)，溝道電流iD不再隨vDS的變化而變化，只受vGS控制。但若考慮溝道長度調制效應(夾斷點A會隨著vDS的增加而向源極移動)，當vGS一定時，iD會隨著vDS的增加而略微增加。工作原理總結通過上面討論可以看到(ENMOS)：VGS(th)是溝道剛形成時所需的VGS，與N+和襯底的攙雜濃度,Gate下SiO2的厚度，溫度等因素有關；VGS控制MOS管的導電溝道深度，VGS越大，溝道越深，導電能力越強，VGS對溝道電流的控制是MOS管的主要受控作用，也是實現(xiàn)放大器的基礎；VGS一定，滿足VGS>VGS(th),在VDS<VGSVGS(th)時,隨著VDS的增加，由于溝道沒有夾斷，溝道電阻變化不大，溝道電流呈線性增加，當VDS>VGSVGS(th)時，夾斷點到Ｓ的電壓不變，溝道長度和形狀幾乎不變，溝道電流也幾乎不變，但考慮溝道長度調制效應，則電流會有略微的上升；NMOS管是依靠多子電子一種載流子導電的，而晶體三極管中有多子和少子兩種載流子參與導電；MOS管是對稱器件,源漏極可以互換。3.1.3EMOS場效應特性

一、伏安特性

轉移特性曲線輸出特性曲線非飽和區(qū)：vGS>VGS(th)0<vDS<vGS－VGS(th)

飽和區(qū)：vGS>VGS(th)

vDS>vGS－VGS(th)

截止區(qū)：iD=0擊穿區(qū)：vDS過大引起雪崩擊穿和穿通擊穿，vGS過大引發(fā)柵極擊穿亞閾區(qū)：vGSVGS(th)時，iD不會突變到零，但其值很小(A量級)。通常將VGS(th)附近的很小區(qū)域(VGS(th)100mV)稱為亞閥區(qū)或弱反型層區(qū)。靜電保護：當帶電物體或人靠近金屬柵極時，瞬間產(chǎn)生過大的柵源電壓vGS，引發(fā)SiO2絕緣層擊穿，從而造成器件永久性損壞。為防止這種損壞，MOS集成電路的輸入級器件常常在其柵源極間接入兩只背靠背的穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓管的擊穿特性，限制由感生電荷產(chǎn)生的vGS值。二、襯底效應

某些MOS管的源極不能處在電路的最低電位上，則其源極與襯底不能相連，其間就會作用著負值的電壓vBS，P型硅襯底中的空間電荷區(qū)將向襯底底部擴展，VGS(th)相應增大。因而，在vGS一定時，iD就減小?？梢姡瑅BS和vGS一樣，也具有對iD的控制作用，故又稱襯底電極為背柵極，不過它的控制作用遠比vGS小。3.1.4DMOS場效應管一、結構

二、伏安特性

(NDMOS)耗盡型MOS管在襯底表面擴散一薄層與襯底導電類型相反的摻雜區(qū)，作為漏、源區(qū)之間的導電溝道，vGS＝0時導電溝道已形成。N溝道DMOS的VGS(th)<0。P溝道DMOS的VGS(th)>0。二者伏安特性相似，僅是電壓極性和電流方向相反。3.1.5場效應管等效電路一、大信號模型

非飽和區(qū)：

vDS很小，忽略二次項

飽和區(qū)：

vDS=vGSvGS(th)

計及溝道長度調制效應MOS管看作電壓控制電流源：溝道長度調制系數(shù)

例在下圖所示N溝道EMOS管電路中，已知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子參數(shù)為CoxW/(2l)＝0.25

mA/V2，VGS(th)＝2V，試求ID。解

設MOS管工作在飽和區(qū)，舍去二、小信號模型

1．飽和區(qū)小信號模型

MOS管:三極管:

直流工作點電流改變相同量時，三極管的跨導變化比MOS管更快。在數(shù)值上，直流工作點電流相同時，三極管的跨導變化比MOS管大。計及溝道長度調制效應與得到的結果一致考慮襯底效應：表示為電壓控制電壓源：gmb為襯底跨導，也稱背柵跨導高頻小信號模型：LOV是根據(jù)經(jīng)驗值推導得到的柵極與源極或漏極交疊長度。為柵極與襯底之間電容。分別是漏區(qū)與襯底和源區(qū)與襯底之間PN結的勢壘電容。當源極和襯底相連時，MOS管高頻小信號模型可以簡化為：源極和襯底相連MOS管截止頻率：2．非飽和區(qū)小信號模型

工作于非飽和區(qū)的MOS場效應管的低頻小信號模型等效為一個電阻

高頻小信號模型:Ｎ溝道：襯底接最低電位，iD為電子電流，

vDS>0，vGS正向增加，iD增加；Ｐ溝道：襯底接最高電位，iD為空穴電流，vDS<0，vGS負向增加，iD增加。二者的大信號和小信號等效模型相同；目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，適用于計算機仿真，該模型已成為一種工業(yè)標準。3.1.7器件小結四種MOS管比較3.3場效應管應用原理3.3.1有源電阻N溝道EMOS管構成有源電阻：注意區(qū)分有源電阻的直流電阻和交流電阻。伏安特性：N溝道DMOS管構成有源電阻：用有源電阻接成的分壓器：若兩管工藝參數(shù)相同，則3.3.2MOS開關NMOS管工作在非飽和區(qū)，導通電阻：由于vGSvG-vI，vGS隨著vI的增大而減小，使Ron增大，當vGS接近VGS(th)時，Ron迅速增大。同理，若采用PMOS開關，Ron隨著vI的減小而增加。NMOS導通電阻CMOS開關導通電阻MOS開關應用舉例：開關電容電路S1和S2輪流導通，在一個時鐘周期內從輸入端到輸出端的平均電流為該開關電容電路可等效為一個電阻3.3.3邏輯門電路一、CMOS反相器邏輯符號電路二、CMOS或非門

邏輯符號電路三、CMOS與非門

邏輯符號電路四、CMOS傳輸門

邏輯符號電路五、鎖存器

結構圖電路圖器件部分小結半導體物理基礎知識了解：本征半導體雜質半導體本征激發(fā)摻雜漂移、擴散本征熱平衡載流子濃度質量作用定律電中性方程

了解：PN結的形成

二極管特點

單向導電性

掌握：PN結的特性

V-I擊穿

電容

溫度開關

二極管模型二極管三極管

了解：三極管結構載流子傳輸直流電流傳輸方程

掌握：三電流間的近似關系三極管特點正向受控作用三極管模型特性