電子線路高教第四電子課件一五

第3章場效應(yīng)管概述3.1

MOS場效應(yīng)管3.2結(jié)型場效應(yīng)管3.3場效管應(yīng)用原理概述場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)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(yīng)管與三極管主要區(qū)別：

場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)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)管分類：MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管第3章場效應(yīng)管3.1MOS場效應(yīng)管P溝道(PMOS)

N溝道(NMOS)

P溝道(PMOS)N溝道(NMOS)MOSFET增強(qiáng)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(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。第3章場效應(yīng)管N+N+P+P+PUSGD3.1.1增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)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溝道寬度第3章場效應(yīng)管

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結(jié)反偏)。U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。VGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵-襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。第3章場效應(yīng)管

N溝道EMOSFET溝道形成原理假設(shè)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(jié)相通VGS襯底表面層中負(fù)離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層第3章場效應(yīng)管VDS

對溝道的控制(假設(shè)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W

→Ron增大。此時Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章場效應(yīng)管當(dāng)VDS

增加到使VGD=VGS(th)

時→A點出現(xiàn)預(yù)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(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l不變(即Ron不變)。因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID

基本維持不變。

第3章場效應(yīng)管若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)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(guān)系曲線：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。第3章場效應(yīng)管MOS管僅依靠一種載流子(多子)導(dǎo)電，故稱單極型器件。三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。利用半導(dǎo)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，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：第3章場效應(yīng)管由于MOS管柵極電流為為零，故不討討論輸入特性性曲線。共源組態(tài)特性性曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：伏安特性+TVDSIG

0VGSID+--轉(zhuǎn)移特性與輸輸出特性反映映場效應(yīng)管同同一物理過程程，它們之間間可以相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。第3章場效應(yīng)管管NEMOS管輸出特性曲曲線非飽和區(qū)特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種種電阻特性；；當(dāng)VDS為常數(shù)時，VGSID，表現(xiàn)出一種壓壓控電阻的特特性。溝道預(yù)夾斷前前對應(yīng)的工作作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。。第3章場效應(yīng)管管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V數(shù)學(xué)模型：此時MOS管可看成阻值值受VGS控制的線性電電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽飽和區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關(guān)關(guān)系：其中，W、l為溝道的寬度度和長度。COX(=/OX,SiO2層介電常數(shù)與與厚度有關(guān))為單位面積的的柵極電容量量。注意：非飽和和區(qū)相當(dāng)于三三極管的飽和和區(qū)。第3章場效應(yīng)管管飽和區(qū)特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，表表現(xiàn)出類似三三極管的正向向受控作用。。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后后對應(yīng)的工作作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長長度調(diào)制效應(yīng)應(yīng)，輸出特性性曲線隨VDS的增加略有上上翹。注意：飽和區(qū)區(qū)(又稱有源區(qū))對應(yīng)三極管的放大大區(qū)。第3章場效應(yīng)管管數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長長度調(diào)制效應(yīng)應(yīng)，則ID的修正方程：：工作在飽和區(qū)區(qū)時，MOS管的正向受控控作用，服從從平方律關(guān)系系式：其中，稱溝道長度調(diào)制制系數(shù)，其值值與l有關(guān)。通常=(0.005~0.03)V-1第3章場效應(yīng)管管截止區(qū)特點：相當(dāng)于MOS管三個電極斷斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時時的工作區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區(qū)區(qū)域。IG0，ID0擊穿區(qū)VDS增大到一定值時漏襯PN結(jié)雪崩擊穿ID劇增。VDS溝道l對于l較小的MOS管穿通擊穿。第3章場效應(yīng)管管由于MOS管COX很小，因此當(dāng)當(dāng)帶電物體(或人)靠近金屬柵極極時，感生電電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)產(chǎn)生很大的電電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞壞。MOS管保護(hù)措施：：分立的MOS管：各極引線短接接、烙鐵外殼殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1、D2一方面限制VGS間最大電壓，，同時對感生生電荷起旁旁路作用。第3章場效應(yīng)管管NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲曲線VGS(th)=3VVDS=5V轉(zhuǎn)移特性曲線線反映VDS為常數(shù)時，VGS對ID的控制作用，，可由輸出特特性轉(zhuǎn)換得到到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線線中，ID=0時對應(yīng)的VGS值，即開啟電電壓VGS(th)。第3章場效應(yīng)管管襯底效應(yīng)集成電路中，，許多MOS管做在同一襯襯底上，為保保證U與S、D之間PN結(jié)反偏，襯底底應(yīng)接電路最最低電位(N溝道)或最高電位(P溝道)。若|VUS|-+VUS耗盡層中負(fù)離離子數(shù)因VGS不變(G極正電荷量不不變)IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓壓對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(shù)第3章場效應(yīng)管管P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-NN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性性相反、電流流ID流向相反。不同之處：電路符號中的的箭頭方向相相反。SGUDID第3章場效應(yīng)管管3.1.2耗盡型MOS場效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOSDMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時，導(dǎo)電溝道已存在對比增強(qiáng)型？溝道線是實線第3章場效應(yīng)管管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(fù)、零均均可。外部工作條件件：DMOS管在飽和區(qū)與與非飽和區(qū)的的ID表達(dá)式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于于電壓極性與與電流方向相相反。第3章場效應(yīng)管管3.1.3四種MOS場效應(yīng)管比較較電路符號及電電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS轉(zhuǎn)移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第3章場效應(yīng)管管飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極極性及數(shù)學(xué)學(xué)模型VDS極性取決于于溝道類型型N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0VGS極性取決于于工作方式式及溝道類類型增強(qiáng)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(shù)學(xué)學(xué)模型與管管子類型無無關(guān)第3章場效應(yīng)應(yīng)管臨界飽和工工作條件非飽和區(qū)(可變電阻區(qū)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)區(qū))數(shù)學(xué)模型第3章場效應(yīng)應(yīng)管FET直流簡化電電路模型(與三極管相相對照)場效應(yīng)管G、S之間開路，，IG0。三極管發(fā)射射結(jié)由于正正偏而導(dǎo)通通，等效為VBE(on)。FET輸出端等效效為壓控電流源，滿滿足平方律律方程：三極管輸出出端等效為為流控電流源，滿滿足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-第3章場效應(yīng)應(yīng)管3.1.4小信號電路路模型MOS管簡化小信信號電路模模型(與三極管對對照)gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-rds為場效應(yīng)管輸出電阻：：由于場效應(yīng)應(yīng)管IG0，所以輸入電電阻rgs。而三極管發(fā)發(fā)射結(jié)正偏偏，故輸入電阻阻rbe較小。與三極管輸出電阻表表達(dá)式rce1/(ICQ)相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe第3章場效應(yīng)應(yīng)管（——溝道長度調(diào)調(diào)制系數(shù)，，=－1/|VA|）MOS管跨導(dǎo)通常MOS管的跨導(dǎo)比比三極管的的跨導(dǎo)要小小一個數(shù)量量級以上，，即MOS管放大能力力比三極管管弱。第3章場效應(yīng)應(yīng)管計及襯底效應(yīng)的MOS管簡化電路路模型（襯底與源源極不相連連）考慮到襯底底電壓vus對漏極電流流id的控制作用用，小信號號等效電路路中需增加加一個壓控控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上為常數(shù)，一般=0.1~0.2。第3章場效應(yīng)應(yīng)管MOS管高頻小信信號電路模模型當(dāng)高頻應(yīng)用用、需考慮慮管子極間間電容影響響時，應(yīng)采采用如下高高頻等效電電路模型。。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)柵漏極間平板電容第3章場效應(yīng)應(yīng)管場效應(yīng)管電電路分析方方法與三極極管電路分分析方法相相似，可以以采用估算法分析電路直直流工作點點；采用小信號等效效電路法分析電路動動態(tài)指標(biāo)。。3.1.5MOS管電路分析析方法場效應(yīng)管估估算法分析析思路與三三極管相同同，只是由由于兩種管管子工作原原理不同，，從而使外外部工作條條件有明顯顯差異。因因此用估算算法分析場場效應(yīng)管電電路時，一一定要注意意自身特點點。估算法第3章場效應(yīng)應(yīng)管MOS管截止模式判判斷方法假定MOS管工作在放放大模式：：放大模式非飽和模式式(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飽和(放大)模式判斷方方法a)由直流通路路寫出管外外電路VGS與ID之間關(guān)系式式。c)聯(lián)立解上述述方程，選選出合理的的一組解。。d)判斷電路工工作模式：：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)區(qū)數(shù)學(xué)模型型：第3章場效應(yīng)應(yīng)管例1已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假設(shè)T工作在放大大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入已知條條件解上述述方程組得得：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(shè)成立。。第3章場效應(yīng)應(yīng)管小信號等效效電路法場效應(yīng)管小小信號等效效電路分析析法與三極極管相似。。利用微變等等效電路分分析交流指指標(biāo)。畫交流通路路；將FET用小信號電電路模型代代替；計算微變參參數(shù)gm、rds；注：具體分分析將在第第4章中詳細(xì)介介紹。第3章場效應(yīng)應(yīng)管3.2結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管JFET結(jié)構(gòu)示意圖圖及電路符符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第3章場效應(yīng)應(yīng)管N溝道JFET管外部工作條條件VDS>0(保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS<0(保證柵源PN結(jié)反偏)3.2.1JFET管工作原理理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第3章場效應(yīng)應(yīng)管VGS對溝道寬度度的影響|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Ron第3章場效應(yīng)應(yīng)管VDS很小時→VGDVGS由圖VGD=VGS-VDS因此VDS→ID線性若VDS→則VGD→近漏端溝道道→Ron增大。此時Ron→ID變慢VDS對溝道的控制(假設(shè)VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron不變第3章場效應(yīng)管當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(off)時→A點出現(xiàn)預(yù)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(diào)調(diào)制效應(yīng)，則近似似認(rèn)為l不變(即Ron不變)。因此預(yù)夾斷后：VDS→ID基本維持不變。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第3章場效應(yīng)管利用半導(dǎo)體內(nèi)的電電場效應(yīng)，通過柵柵源電壓VGS的變化，改變阻擋擋層的寬窄，從而而改變導(dǎo)電溝道的的寬窄，控制漏極極電流ID。JFET工作原理：綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它它們都是利用電場場效應(yīng)控制電流，，不同之處僅在于于導(dǎo)電溝道形成的的原理不同。第3章場效應(yīng)管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-0.5V第3章場效應(yīng)管飽和區(qū)(放大區(qū))特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律律關(guān)系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方方程不同。第3章場效應(yīng)管截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG0，ID=0擊穿區(qū)VDS增大到一定值時近漏極PN結(jié)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(fù)則VGD越負(fù)相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS越小第3章場效應(yīng)管JFET轉(zhuǎn)移特性曲線同MOS管一樣，JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由由輸出特性轉(zhuǎn)換得得到(略)。ID=0時對應(yīng)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(yīng)的ID值飽和漏電流流IDSS。第3章場效應(yīng)應(yīng)管JFET電路模型同同MOS管相同。只只是由于兩兩種管子在在飽和區(qū)數(shù)數(shù)學(xué)模型不不同，因此此，跨導(dǎo)計計算公式不不同。JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源極)(直流電路模型)(小信號模