场效应管工作原理与应用

1、.,1,3.2 结型场效应管,3.3 场效管应用原理,3.1 MOS 场效应管,第 3 章场效应管,.,2,概 述,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。,场效应管与三极管主要区别：,场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。,场效应管是单极型器件(三极管是双极型器件)。,场效应管分类：,.,3,3.1MOS 场效应管,N 沟道 MOS 管与 P 沟道 MOS 管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。,.,4,3.1.1增强型 MOS 场效应管,N 沟道 EM

2、OSFET 结构示意图,.,5,N 沟道 EMOS 管外部工作条件,VDS 0 (保证漏衬 PN 结反偏)。,U 接电路最低电位或与 S 极相连(保证源衬 PN 结反偏)。,VGS 0 (形成导电沟道),N沟道 EMOS 管工作原理,.,6,N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理,假设 VDS = 0，讨论 VGS 作用,VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。,.,7,VDS 对沟道的控制(假设 VGS VGS(th) 且保持不变),VDS 很小时 VGD VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。,由图VGD = VGS - VDS,因此 VDSID 线性 。,若 VDS 则

3、 VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,.,8,当 VDS 增加到使 VGD = VGS(th) 时 A 点出现预夹断,若 VDS 继续 A 点左移 出现夹断区,此时 VAS = VAG + VGS = -VGS(th) + VGS (恒定),若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变(即 Ron不变)。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,.,9,若考虑沟道长度调制效应,则 VDS 沟道长度 l 沟道电阻 Ron略 。,因此 VDS ID 略 。,由上述分析可描绘出 ID 随 VDS 变化的关系曲线：,曲线形状类似三极管输出特性。,.,10,MOS 管仅依

4、靠一种载流子(多子)导电，故称单极型器件。,三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。,利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压 VGS 的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流 ID 。,MOSFET 工作原理：,.,11,由于 MOS 管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,伏安特性,转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。,.,12,NEMOS 管输出特性曲线,非饱和区,特点：,ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。,当 VGS为常数时，VDSID 近似线性，表现为一种电阻特性；,当 VDS为常数时，VGS I

5、D ，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,.,13,数学模型：,此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：,VDS 很小 MOS 管工作在非饱区时，ID 与 VDS 之间呈线性关系：,其中，W、l 为沟道的宽度和长度。,COX (= / OX) 为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,.,14,饱和区,特点：,ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随 VDS 的增加略有上翘。,注意：饱和区(又称

6、有源区)对应三极管的放大区。,.,15,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：,工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中， 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。,通常 = (0.005 0.03 )V-1,.,16,截止区,特点：,相当于 MOS 管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGS VGS(th),ID = 0 以下的工作区域。,IG 0，ID 0,击穿区,VDS 增大到一定值时漏衬 PN 结雪崩击穿 ID 剧增。,VDS 沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管 穿通击穿。,.,17,由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电

7、物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损坏。,MOS 管保护措施：,分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。,MOS 集成电路：,D1 D2 一方面限制 VGS 间最大电压，同时对感 生电荷起旁路作用。,.,18,NEMOS 管转移特性曲线,VGS(th) = 3V,VDS = 5 V,转移特性曲线反映 VDS 为常数时，VGS 对 ID 的控制作用，可由输出特性转换得到。,VDS = 5 V,转移特性曲线中，ID = 0 时对应的 VGS 值，即开启电压 VGS(th) 。,.,19

8、,衬底效应,集成电路中，许多 MOS 管做在同一衬底上，为保证 U 与 S、D 之间 PN 结反偏，衬底应接电路最低电位(N 沟道)或最高电位(P 沟道)。,若| VUS | ,耗尽层中负离子数,因 VGS 不变(G 极正电荷量不变),ID ,根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。,阻挡层宽度 ,表面层中电子数 ,.,20,P 沟道 EMOS 管,N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似。,即 VDS 0 、VGS 0,外加电压极性相反、电流 ID 流向相反。,不同之处：,电路符号中的箭头方向相反。,.,21,3.1.2耗尽型 MOS 场效应管,DMOS

9、管结构,.,22,NDMOS 管伏安特性,VDS 0，VGS 正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS 管在饱和区与非饱和区的 ID 表达式与 EMOS管 相同。,PDMOS 与 NDMOS 的差别仅在于电压极性与电流方向相反。,.,23,3.1.3四种 MOS 场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,.,24,饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型,VDS 极性取决于沟道类型,N 沟道：VDS 0， P 沟道：VDS 0,VGS 极性取决于工作方式及沟道类型,增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。,耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。,饱和区数学模型与管子类型无关,.

10、,25,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电阻区)工作条件,|VDS | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ，,饱和区(放大区)工作条件,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,非饱和区(可变电阻区)数学模型,.,26,FET 直流简化电路模型(与三极管相对照),场效应管 G、S 之间开路 ，IG 0。,三极管发射结由于正偏而导通，等效为 VBE(on) 。,FET 输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：,三极管输出端等效为流控电流源，

11、满足 IC = IB 。,.,27,3.1.4小信号电路模型,MOS 管简化小信号电路模型(与三极管对照),rds 为场效应管输出电阻：,由于场效应管 IG 0，所以输入电阻 rgs 。,而三极管发射结正偏，故输入电阻 rbe 较小。,与三极管输出电阻表达式 rce 1/(ICQ) 相似。,.,28,MOS 管跨导,通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即 MOS 管放大能力比三极管弱。,.,29,计及衬底效应的 MOS 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，小信号等效电路中需增加一个压控电流源 gmuvus。,gmu 称背栅跨导，工程上, 为

12、常数，一般 = 0.1 0.2。,.,30,MOS 管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,.,31,场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。,3.1.5MOS 管电路分析方法,场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。,估算法,.,32,MOS 管截止模式判断方法,假定 MOS 管工作在放大模式：,放大模式,非饱和模式(需重新计算 Q 点),非饱和与饱和(放大)

13、模式判断方法,a)由直流通路写出管外电路 VGS与 ID 之间关系式。,c)联立解上述方程，选出合理的一组解。,d)判断电路工作模式：,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,b)利用饱和区数学模型：,.,33,例 1已知 nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2，VGS(th)= 2 V，求 ID 。,解：,假设 T 工作在放大模式,代入已知条件解上述方程组得：,VDS = VDD - ID (RD + RS) = 6 V,因此,验证得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假设成立。,.,34,小信号等效电路法,场

14、效应管小信号等效电路分法与三极管相似。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路；,将 FET 用小信号电路模型代替；,计算微变参数 gm、rds；,注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。,.,35,3.2结型场效应管,JFET 结构示意图及电路符号,.,36,N沟道 JFET 管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏 PN 结反偏),VGS 0 (保证栅源 PN 结反偏),3.2.1JFET 管工作原理,.,37,VGS 对沟道宽度的影响,若 VDS = 0,.,38,VDS 很小时 VGD VGS,由图 VGD = VGS - VDS,因此 VDSID 线性 ,若 VDS 则 VGD 近漏

15、端沟道 Ron 增大。,此时 Ron ID 变慢,VDS 对沟道的控制(假设 VGS 一定),此时 W 近似不变,即 Ron 不变,.,39,当 VDS 增加到使 VGD = VGS(off) 时 A 点出现预夹断,若 VDS 继续A 点下移 出现夹断区,此时 VAS = VAG + VGS = -VGS(off) + VGS (恒定),若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变(即 Ron不变)。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,.,40,利用半导体内的电场效应，通过栅源电压 VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流 ID。,JFET 工作原理：,

16、综上所述，JFET 与 MOSFET 工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。,.,41,NJFET 输出特性,非饱和区(可变电阻区),特点：,ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。,3.2.2伏安特性曲线,线性电阻：,.,42,饱和区(放大区),特点：,ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关。,数学模型：,在饱和区，JFET 的 ID 与 VGS 之间也满足平方律关系，但由于 JFET 与 MOS 管结构不同，故方程不同。,.,43,截止区,特点：,沟道全夹断的工作区,条件：,VGS VGS(off),IG 0，ID = 0,击穿区,V

17、DS 增大到一定值时 近漏极 PN 结雪崩击穿, 造成 ID 剧增。,VGS 越负 则 VGD 越负 相应击穿电压 V(BR)DS 越小,.,44,JFET 转移特性曲线,同 MOS 管一样，JFET 的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。,ID = 0 时对应的 VGS 值 夹断电压 VGS(off) 。,VGS = 0 时对应的 ID 值 饱和漏电流 IDSS。,.,45,JFET 电路模型同 MOS 管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。,JFET 电路模型,利用,得,.,46,各类 FET 管 VDS、VGS 极性比较,VDS 极性与 ID 流向仅取决于沟道类型,VGS 极性取决于工作方式及沟道类型,由于 FET 类型较多，单独记忆较困难，现将各类 FET 管 VDS、VGS 极性及 ID 流向归纳如下：,N 沟道 FET：VDS 0，ID 流入管子漏极。,P 沟道 FET：VDS 0，ID 自管子漏极流出。,JFET 管： VGS 与 VDS