電子線路高教第四電子課件二

第3章場效應管概述3.1

MOS場效應管3.2結(jié)型場效應管3.3場效管應用原理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(jié)型場效應管第3章場效應管3.1MOS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(zhì)不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反。第3章場效應管N+N+P+P+PUSGD增強型MOS場效應管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(zhì)的平板電容器。第3章場效應管

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(jié)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。反型層第3章場效應管VDS

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章場效應管當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(diào)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。

第3章場效應管若考慮溝道長度調(diào)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(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章場效應管MOS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：第3章場效應管由于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(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)移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。第3章場效應管

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(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；當VDS為常數(shù)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)。

第3章場效應管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V數(shù)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管工作在非飽和區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中，W、l為溝道的寬度和長度。COX

(=/OX,SiO2層介電常數(shù)與厚度有關(guān))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)。第3章場效應管飽和區(qū)特點：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，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(diào)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)。第3章場效應管數(shù)學模型：若考慮溝道長度調(diào)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(guān)系式：其中，稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l有關(guān)。通常=(0.005~0.03)V-1第3章場效應管截止區(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(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章場效應管由于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(chǎn)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：TD2D1D1、D2一方面限制VGS間最大電壓，同時對感生電荷起旁路作用。第3章場效應管

NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)=3VVDS

=5V轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，VGS對ID的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，ID=0時對應的VGS值，即開啟電壓VGS(th)。第3章場效應管

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(jié)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(shù)因VGS

不變(G極正電荷量不變)IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)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(shù)第3章場效應管

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。SGUDID第3章場效應管耗盡三型三MO三S三場效三應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOSDM三OS管結(jié)三構(gòu)VGS=0時，導電溝道已存在對比增強型？溝道線是實線第三3三章三場效三應管ND三MO三S管伏安三特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>三0，VGS正、三負、三零均三可。外部三工作三條件三：DM三OS三管三在飽三和區(qū)三與非三飽和三區(qū)的ID表達三式與三EM三OS三管相同。PD三MO三S三與三ND三MO三S三的差三別僅三在于三電壓三極性三與電三流方三向相三反。第三3三章三場效三應管四種三M三OS三場三效應三管比三較電路三符號三及電三流流三向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS轉(zhuǎn)移三特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第三3三章三場效三應管飽和三區(qū)(放大三區(qū))外加三電壓三極性三及數(shù)三學模三型VDS極性三取決三于溝三道類三型N三溝道三：VDS>三0，三P三溝道三：VDS<三0VGS極性三取決三于工三作方三式及三溝道三類型增強三型三MO三S三管：VGS與VDS極性三相同三。耗盡三型三MO三S三管：VGS取值三任意三。飽和三區(qū)數(shù)三學模三型與三管子三類型三無關(guān)第三3三章三場效三應管臨界三飽和三工作三條件非飽三和區(qū)(可變?nèi)娮枞齾^(qū))工作三條件|VDS|三=三|三VGS–VGS三(t三h)||VGS|>|VGS三(t三h)|，|VDS|>|三VGS–VGS三(t三h)||VGS|>|VGS三(t三h)|，飽和三區(qū)(放大三區(qū))工作三條件|VDS|<|三VGS–VGS三(t三h)||VGS|>|VGS三(t三h)|，非飽三和區(qū)(可變?nèi)娮枞齾^(qū))數(shù)學三模型第三3三章三場效三應管FE三T直流三簡化三電路三模型(與三三極管三相對三照)場效三應管G、S之間三開路三，IG三0。三極三管發(fā)三射結(jié)三由于三正偏三而導三通，三等效三為VBE三(o三n)。FE三T輸出三端等三效為壓控電流三源，三滿足三平方三律方三程：三極三管輸三出端三等效三為流控電流三源，三滿足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-第三3三章三場效三應管小信三號電三路模三型MO三S管簡三化小三信號三電路三模型(與三三極管三對照)gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-rds為場效三應管輸出三電阻三：由于三場效三應管IG三0，所以三輸入三電阻rgs。而三三極管三發(fā)射三結(jié)正三偏，故輸三入電三阻rbe較小三。與三三極管輸出三電阻三表達三式rce三1/三(ICQ)相似三。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe第三3三章三場效三應管（——三溝道三長度三調(diào)制三系數(shù)三，=－三1/三|VA|）MOS管跨導通常三M三OS三管三的跨三導比三三極三管的三跨導三要小三一個三數(shù)量三級以三上，三即MO三S三管放三大能三力比三三極三管弱三。第三3三章三場效三應管計及三襯底效應三的MO三S管簡三化電三路模三型（襯三底與三源極三不相三連）考慮三到襯三底電三壓vus對漏三極電三流id的控三制作三用，三小信三號等三效電三路中三需增三加一三個壓三控電三流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導，工程上為常三數(shù)，一般=三0.三1三~三0三.2。第三3三章三場效三應管MO三S管高三頻小三信號三電路三模型當高三頻應三用、三需考三慮管三子極三間電三容影三響時三，應三采用三如下三高頻三等效三電路三模型三。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三3三章三場效三應管場效三應管三電路三分析三方法三與三三極管三電路三分析三方法三相似三，可三以采三用估算三法分析三電路三直流三工作三點；三采用小信三號等三效電三路法分析三電路三動態(tài)三指標三。MO三S三管電三路分三析方三法場效三應管三估算三法分三析思三路與三三極三管相三同，三只是三由于三兩種三管子三工作三原理三不同三，從三而使三外部三工作三條件三有明三顯差三異。三因此三用估三算法三分析三場效三應管三電路三時，三一定三要注三意自三身特三點。估算三法第三3三章三場效三應管MO三S管截止三模式三判斷三方法假定三M三OS三管三工作三在放三大模三式：放大三模式非飽三和模三式(需三重新計算Q點)N溝道管：VGS<VGS(th)P溝道管：VGS>VGS(th)截止條件非飽三和與三飽和(放大)模式三判斷三方法a)由直三流通三路寫三出管三外電三路VGS與ID之間三關(guān)系三式。c)聯(lián)立三解上三述方三程，三選出三合理三的一三組解三。d)判斷三電路三工作三模式三：若|VDS|三>三|VGS–VGS三(t三h)|若|VDS|三<三|VGS–VGS三(t三h)|b)利用三飽和三區(qū)數(shù)三學模三型：第三3三章三場效三應管例三1已知nCOXW/(三2l)=0.三25三m三A/三V2，VGS三(t三h)=2三V，求ID。解：假設三T三工三作在三放大三模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入三已知三條件三解上三述方三程組三得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD-ID(RD+RS)三=三6三V因此驗證三得知三：VDS>VGS–VGS三(t三h)，VGS>VGS三(t三h)，假設三成立三。第三3三章三場效三應管小信三號等三效電三路法場效三應管三小信三號等三效電三路分三析法三與三三極管三相似三。利用三微變?nèi)刃娐啡治鋈涣魅笜巳?。畫交三流通三路；將FE三T用小三信號三電路三模型三代替三；計算三微變?nèi)齾?shù)gm、rds；注：三具體三分析三將在三第三4三章中三詳細三介紹三。第三3三章三場效三應管3.三2三結(jié)型三場效三應管JF三ET結(jié)構(gòu)三示意三圖及三電路三符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第三3三章三場效三應管N溝道JF三ET管外部三工作三條件VDS>三0(保證三柵漏三P三N三結(jié)反三偏)VGS<三0(保證三柵源三P三N三結(jié)反三偏)JF三ET三管三工作三原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第三3三章三場效三應管VGS對溝三道寬三度的三影響|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=三0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron第三3三章三場效三應管VDS很小三時→VGDVGS由圖VGD=三VGS-VDS因此VDS→ID線性三若VDS→則VGD→近漏三端溝三道→Ron增大三。此時Ron→ID三變慢VDS對溝三道的三控制(假設VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似三不變即Ron不變第三3三章三場效三應管當VDS增加三到使VGD三=VGS三(o三ff三)時→A點出三現(xiàn)預三夾斷若VDS繼續(xù)→A點下三移→出現(xiàn)三夾斷三區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS三(o三ff三)+VGS(恒三定)若忽三略溝三道長三度調(diào)三制效三應，三則近三似認三為l不變(即Ron不變)。因此三預夾三斷后三：VDS三→ID基本三維持三不變?nèi)?。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第三3三章三場效三應管利用三半導三體內(nèi)三的電三場效三應，三通過三柵源三電壓VGS的變?nèi)淖內(nèi)钃跞龑拥娜龑捳?，從三而改三變導三電溝三道的三寬窄三，控三制漏三極電三流ID。JF三ET三工三作原三理：綜上三所述三，J三FE三T三與三MO三SF三ET三工三作原三理相三似，三它們?nèi)际侨萌妶鋈刂迫娏魅蝗巸H三在于三導電三溝道三形成三的原三理不三同。第三3三章三場效三應管NJ三FE三T輸出三特性非飽三和區(qū)(可變?nèi)娮枞齾^(qū))特點三：ID同時三受VGS與VDS的控三制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)伏安三特性三曲線線性三電阻三：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第三3三章三場效三應管飽和三區(qū)(放大三區(qū))特點三：ID只受VGS控制三，而三與VDS近似三無關(guān)三。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學三模型三：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在飽三和區(qū)三，J三FE三T三的ID與VGS之間三也滿三足平三方律三關(guān)系三，但三由于三J三FE三T三與三MO三S三管結(jié)三構(gòu)不三同，三故方三程不三同。第三3三章三場效三應管截止三區(qū)特點三：溝道三全夾三斷的三工作三區(qū)條件三：VGS<VGS三(o三ff三)IG0，ID=三0擊穿三區(qū)VDS增大到一三定值三時三近漏極三P三N三結(jié)雪三崩擊三穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V三造成ID劇增三。VGS越負三三則VGD越負三三相三應擊穿三電壓V(B三R)三DS越小第三3三章三場效三應管JF三ET轉(zhuǎn)移三特性三曲線同三MO三S三管一三樣，三JF三ET三的三轉(zhuǎn)移三特性三也可三由輸三出特三性轉(zhuǎn)三換得三到(略三)。ID=三0三時對三應的VGS值夾斷三電壓VGS三(o三ff三)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N溝道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P溝道JFET

)VGS=三0三時對三應的ID值飽和三漏電三流IDS三S。第三3三章三場效三應管JF三ET三電三路模三型同三M三OS三管三相同三。只三是由三于兩三種管三子在三飽和三區(qū)數(shù)三學模三型不三同，三因此三，跨三導計三算公三式不三同。JF三ET電路三模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源極)(直流電路模型)(小信號模型)利用得第三3三章三場效三應管各類FE三T管VDS、VGS極性三比較VDS極性三與ID流向三僅取三決于