MOS场效应管概述.ppt

3.2结型fet，3.3场效应晶体管应用原理，3.1MOS fet，第3章fet，概述，fet是另一种具有正控制功能的半导体器件。它体积小，工艺简单，易于控制器件特性。它目前是制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应晶体管和三极管的主要区别在于场效应晶体管的输入电阻比三极管的大得多。场效应晶体管是单极器件(三极管是双极器件)。N沟道金属氧化物半导体晶体管和P沟道金属氧化物半导体晶体管的工作原理相似，除了它们形成的电流的载流子特性不同，从而导致施加到每个极的电压极性相反。3.1.1增强型金属氧化物半导体场效应晶体管，N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管结构示意图，N沟道EMOS管的外部工作条件，VDS0(确保栅漏PN结反向偏置)。U形连接电路或连接到S极的最低电位(确保源极衬PN结的反向偏置)。VGS0(导电沟道的形成)，N沟道EMOS管工作原理，N沟道EMOSFET沟道形成原理，假设VDS=0，讨论VGS函数，VGS越大，反型层中的N越多，导电性越强。VDS控制的通道(假设VGSVGS(th)并保持不变)，VDS很小 VGD VGS。此时，W大致相同，即罗恩也相同。从图中可以看出，VGD=VGS-VDS，因此VDSID是线性的。如果VDS VGD靠近排水沟道 Ron增加。RonID慢了下来。当VDS增加到使VGD=VGS (TH) 预夹断发生在点A。如果VDS继续点A向左移动夹断发生，此时VAS=VAG VGS=-VGS(th) VGS(常数)。如果信道长度调制效应被忽略，则近似认为L不变(即Ron不变)。因此，预夹紧后，VDSID基本保持不变。如果考虑信道长度调制效应，VDS信道长度L 信道电阻Ron稍大。所以VDSID稍微有点。根据以上分析，可以绘制出内径与VDS的关系曲线：曲线形状类似于三极管的输出特性。MOS管只依靠一个载流子(多个载流子)来导电，因此被称为单极器件。三极管被称为双极器件，因为许多儿童和少数儿童同时参与传导。利用半导体表面上的电场效应，感应电荷量通过栅极-源极电压VGS的改变而改变，从而改变感应沟道的宽度并控制漏极电流ID。MOSFET的工作原理：由于MOS管的栅极电流为零，因此不讨论输入特性曲线。公共源极配置特性曲线：伏安特性、转移特性和输出特性反映了场效应晶体管相同的物理过程，并且可以相互转换。内莫斯管输出特性曲线，非饱和区，特性：内径由VGS和VDS控制。当VGS不变时，VDSID近似线性，表现出电阻特性。当VDS恒定时，VGSID表现出电压控制的电阻特性。通道预夹紧前的相应工作区域。因此，非饱和区也称为可变电阻区。数学模型：MOS管可以看作是一个线性电阻，此时它的电阻由VGS控制：VDS很小。当金属氧化物半导体管在非饱和区工作时，内径和VDS之间存在线性关系，其中：W和L是沟道的宽度和长度。Cox (=/ox)是单位面积的栅极电容。注：不饱和区相当于三极管的饱和区。饱和区特性：ID仅由VGS控制，并且近似独立于VDS，表现出类似于三极管的正向控制效果。通道预夹紧后的相应工作区域。考虑到通道长度的调制效应，输出特性曲线随着VDS的增加略有弯曲。注意：饱和区(也称为有源区)对应于三极管的放大区。数学模型：如果考虑沟道长度调制效应，则id:的校正方程，即工作在饱和区的金属氧化物半导体晶体管的正向控制作用遵循平方律关系，其中：沟道长度调制系数被称为，其值与l有关，通常=(0.005 0.03) V-1，截止区，特性：相当于金属氧化物半导体管的三个电极断开。未形成通道时的操作区域，条件：VGS0，P通道：VDS|VGS(th)|，| VDS | | VGSFET输出相当于一个压控电流源，满足平方律方程：三极管输出相当于一个流量控制电流源，满足IC=IB.3.1.4小信号电路模型，MOS管简化了小信号电路模型(与三极管相比)，rds是FET输出电阻：因为FET IG0，输入电阻RGS。三极管的发射极结正偏，因此输入电阻rbe很小。类似于三极管输出电阻的表达式。晶体管的跨导通常比三极管小一个数量级以上，即晶体管的放大能力比三极管弱。考虑衬底效应的金属氧化物半导体晶体管简化电路模型。考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中应增加一个压控电流源gmuvus。gmu表示背栅跨导，工程上，是常数，一般=0.1 0.2，MOS管高频小信号电路模型，当高频应用时，需要考虑管的两极间电容的影响，应采用以下高频等效电路模型。场效应晶体管电路分析方法类似于三极管电路分析方法，可以用估算法来分析电路直流工作点；小信号等效电路法用于分析电路的动态指标。3 . 1 . 5、场效应管电路分析法、场效应管估算法的分析思路与三极管相同，只是因为两种管的工作原理不同，所以外部工作条件有明显的差异。因此，在用估算法分析场效应管电路时，必须注意自己的特点。估计方法金属氧化物半导体管截止模式判断方法，假设金属氧化物半导体管工作在放大模式：放大模式非饱和模式(点Q需要重新计算)、非饱和和饱和(放大)模式判断方法，a)从DC路径写出外部电路VGS和内径之间的关系。同时求解上述方程，以选择一组合理的解。d)确定电路运行模式：如果| VDS | | VGSVGS(TH)|，如果| VDS | VGSVGS(TH)，VGSVGS(th)，假设为真。小信号等效电路法，场效应晶体管小信号等效电路法类似于三极管。利用微变化等效电路分析交流指数。画一条交流路径，用小信号电路模型代替场效应晶体管，并计算微变量参数gm和rds。注：详细分析将在第4章介绍。3.2结场效应晶体管，JFET结构图和电路符号，n沟道JFET管的外部工作条件，VDS0(保证栅漏PN结反向偏置)，VGS0(保证栅源PN结反向偏置)，3.2.1JFET管工作原理，VGS对沟道宽度的影响，如果VDS=0，VDS很小 VGD VGS，从图VGD=VGS-VDS，因此VDSID是线性的，如果VDS 漏极附近的VGD沟道 RON增加。此时RonID变慢，VDS控制通道(假设VGS恒定)，此时w大致相同，即Ron不变，当VDS增加到使vgd=vgs(关)时a点出现预夹断，如果VDS继续a点向下移动夹断区域出现，则VAS=VAG VGS=-VGS(关)vgs(恒定)，如果忽略通道长度调制效应，则l大致视为不变(即Ron不变)。因此，预夹紧后，VDSID基本保持不变。通过利用半导体中的电场效应改变栅-源电压VGS来改变阻挡层的宽度，从而改变导电沟道的宽度并控制漏电流ID。总之，JFET和场效应晶体管的工作原理相同。他们都利用电场效应来控制电流。区别仅在于导电通道形成的不同原理。NJFET输出特性，不饱和区(可变电阻区)，特性：由VGS和VDS控制。3.2.2伏安特性曲线，线性电阻：饱和区(