结型场效应管

1、 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器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。目前制造大规模集成电路的主要有源器件。 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。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）。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。 MOS场效应管场效应管 结型场效应管结型场效应管 P沟道（沟道（PMOS） N沟道（沟道（NMOS） P沟道（沟道（PMOS） N沟道（沟道（NMOS） 增强型（增强型（EMO

2、S） 耗尽型（耗尽型（DMOS） N沟道沟道MOS管与管与P沟道沟道MOS管工作原理相似，不管工作原理相似，不 同之处仅在于同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因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此导致加在各极上的电压极性相反。 N + N + P+P+ P USGD q N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图 源极源极 漏极漏极衬底极衬底极 SiO2 绝缘层绝缘层 金属栅极金属栅极 P P型硅型硅 衬底衬底 S G U D 电路符号电路符号 l 沟道长度沟道长度 W 沟道沟道 宽度宽度 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 (

3、(保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )。 U接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连( (保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏) )。 VGS 0 ( (形成导电沟道形成导电沟道) ) P P+N+N+ SGD U VDS - + - + - +- + VGS q N沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理 栅栅 衬之间衬之间相当相当 于以于以SiO2为介质为介质 的平板电容器。的平板电容器。 N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假设假设VDS =0，讨论，讨论VGS作用作用 P P+N+N+ SGD U VDS =0 - + - + VGS 形成空间电荷区形成空间电荷区 并

4、与并与PN结相通结相通 VGS 衬底表面层中衬底表面层中 负离子负离子 、电子、电子 VGS 开启电压开启电压VGS(th) 形成形成N型导电沟道型导电沟道表面层表面层 np VGS越大，反型层中越大，反型层中n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。 反型层反型层 VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS VGS(th) 且保持不变）且保持不变） VDS很小时很小时 VGD VGS 。此时此时W近似不变近似不变，即即Ron不变不变。 由图由图 VGD = VGS - - VDS 因此因此 VDS ID线性线性 。 若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。 此时

5、此时 Ron ID 变慢。变慢。 P P+N+ N + S GD U VDS - + - + VGS - + - + P P+N+ N + S GD U VDS - + - + VGS - + - + 当当VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若VDS 继续继续 A点左移点左移出现夹断区出现夹断区 此时此时 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定） 若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即不变（即Ron不变）。不变）。 因此预夹断后：因此预夹断后： P P+N+ N + S

6、 GD U VDS - + - + VGS - + - + A P P+N+ N + S GD U VDS - + - + VGS - + - + A VDS ID 基本维持不变。基本维持不变。 若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应 则则VDS 沟道长度沟道长度l 沟道电阻沟道电阻Ron略略 。 因此因此 VDS ID略略 。 由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS 变化变化的关系曲线：的关系曲线： ID VDS 0 VGS VGS(th) VGS一定一定 曲线形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。 MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故管仅依靠一种载流子（

7、多子）导电，故 称称单极型器件。单极型器件。 三极三极管中多子、少子同时参与导电，故称管中多子、少子同时参与导电，故称双双 极型器件。极型器件。 利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压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，控制漏极电流生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。 MOSFET工作原理：工作原理： 由于由于MOS管栅极电流管栅极电流 为零，故不讨论输入特为零，故不讨论输入特 性曲线。性曲线。 共源组态特性曲线：共源组态特性曲线： ID= f ( VGS ) VDS = 常数常数 转移特性：转移

8、特性： ID= f ( VDS ) VGS = 常数常数 输出特性：输出特性： q 伏安特性伏安特性 + T VDS IG 0 VGS ID + - - - 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，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。它们之间可以相互转换。 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线 q 非饱和区非饱和区 特点：特点： ID同时受同时受VGS与与VDS的控制。的控制。 当当VGS为常数时，为常数时，VDSID近似线性近似线性 ，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性； ID/mA VDS /V 0 VDS = VGS VGS(th) VGS =

9、5V 3.5V 4V 4.5V 当当VDS为常数时，为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。，表现出一种压控电阻的特性。 沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。 条件：条件： VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随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。的增加略有上翘。 注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。 数学模型：数学模型： 若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：的修正方程：

10、工作在工作在饱和区时，饱和区时，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服 从平方律关系式：从平方律关系式： 2 GS(th)GS OXn D )( 2 VV l WC I A DS 2 GS(th)GS OXn D 1)( 2V V VV l WC I DS 2 GS(th)GS OXn 1)( 2 VVV l WC 其中：其中： 称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与l 有关。有关。 通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -1 q 截止区截止区 特点：特点： 相当于相当于MOS管三个电极断开。管三个电极断开。 ID/mA VDS /V 0 VDS = VGS VG

11、S(th) VGS =5V 3.5V 4V 4.5V 沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区 条件：条件： VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作区域。以下的工作区域。 IG0，ID0 q 击穿区击穿区 VDS增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬PN结雪崩击穿结雪崩击穿 ID剧增。剧增。 VDS沟道沟道 l 对于对于l 较小的较小的MOS管管穿通击穿。穿通击穿。 由于由于MOS管管COX很小，因此当带电物体（或人）很小，因此当带电物体（或人） 靠近金属栅极时，感生电荷在靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生绝缘层中将产生 很大的电压很大的电压VGS(=Q /COX)，使使绝

12、缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成 MOS管永久性损坏管永久性损坏。 MOS管保护措施：管保护措施： 分立的分立的MOS管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地。各极引线短接、烙铁外壳接地。 MOS集成电路：集成电路： T D2 D1 D1 D2一方面限制一方面限制VGS间间 最大电压，同时对感最大电压，同时对感 生生 电荷起旁路作用。电荷起旁路作用。 NEMOS管转移特性曲线管转移特性曲线 VGS(th) = 3V VDS = 5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制作的控制作 用用, ,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。 ID/mA VDS /V

13、 0 VDS = VGS VGS(th) VGS =5V 3.5V 4V 4.5V VDS = 5V ID/mA VGS /V 012345 转移特性曲线中转移特性曲线中, ,ID = =0 时对应的时对应的VGS值值, ,即开启即开启 电压电压VGS（ （th） 。 。 q 衬底效应衬底效应 集成电路中，许多集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证管做在同一衬底上，为保证U与与S、 D之间之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电沟道）或最高电 位（位（P沟道）。沟道）。 若若| VUS | - - + VUS 耗尽层中负离子数耗尽层中负离子数

14、 因因VGS不变（不变（G极正电荷量不变）极正电荷量不变）ID VUS = 0 ID/mA VGS /VO - -2V - -4V 根据衬底电压对根据衬底电压对ID的控制作用，又的控制作用，又称称U极为极为背栅极。背栅极。 P P+N+ N+ SGDU VDS VGS - - + - - + 阻挡层宽度阻挡层宽度 表面层中表面层中电子电子数数 q P沟道沟道EMOS管管 + -+ - VGS VDS + - + - S G U D N N+P+ SGD U P+ N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。 即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可

15、。正、负、零均可。外部工作条件：外部工作条件： DMOS管在饱和区与非饱和区的管在饱和区与非饱和区的ID表达式表达式与与EMOS管管相同相同。 PDMOS与与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。的差别仅在于电压极性与电流方向相反。 q 电路符号及电流流向电路符号及电流流向 S G U D ID S G U D ID U S G D ID S G U D ID NEMOSNDMOSPDMOSPEMOS q 转移特性转移特性 ID VGS0 VGS(th) ID VGS0VGS(th) ID VGS0 VGS(th) ID VGS0VGS(th) q 饱和区（放大区）外加电压极性及数学模

16、型饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型 N沟道：沟道：VDS 0， P沟道沟道：VDS |VGS(th) |， |VDS | | VGS VGS(th) | |VGS| |VGS(th) | ， q 饱和区（放大区）工作条件饱和区（放大区）工作条件 |VDS | |VGS(th) |， q 非饱和区（可变电阻区）数学模型非饱和区（可变电阻区）数学模型 DSGS(th)GS OXn D )(VVV l WC I q FET FET直流简化电路模型直流简化电路模型( (与三极管相对照与三极管相对照) ) 场效应管场效应管G、S之间开路之间开路 ，IG

17、0。 三极管发射结由于正偏而导通，等效三极管发射结由于正偏而导通，等效为为VBE(on) 。 FET输出端等效为输出端等效为压控压控电流源，满足平方律方程：电流源，满足平方律方程： 三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源，满足电流源，满足IC= IB 。 2 GS(th)GS OX D )( 2 VV l WC I S G D ID VGS S D G IDIG 0 ID(VGS ) + - - VBE(on) E CB ICIB IB + - - q MOS MOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型( (与三极管对照与三极管对照) ) gmvgs rds gd s ic v

18、gs - - vds + - - rds为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻： 由于场效应管由于场效应管IG 0，所以输入电阻所以输入电阻rgs 。 而三极管发射结正偏，而三极管发射结正偏，故输入电阻故输入电阻rb e较小。较小。 )/(1 CQce Ir与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 相似。相似。 )/(1 DQds Ir rb e rce bc e ibic + - - - + vbe vce gmvb e MOS管管跨导跨导 Q GS D m v i g 2 GS(th)GS OX D )( 2 VV l WC I 利用利用 DQ OX Q GS D m 2 2I l W

19、C v i g 得得 三极管三极管跨导跨导 CQ e Q EB C 5 .38 I rv i gm 通常通常MOS管的跨导比管的跨导比三极管的三极管的跨导要小一个跨导要小一个 数量级以上，即数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。 q 计及衬底效应的计及衬底效应的MOS管简化电路模型管简化电路模型 考虑到衬底电压考虑到衬底电压vus对漏极电流对漏极电流id的控制作用，小信的控制作用，小信 号等效电路中需增加一个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。 gmvgs rds gd s id vgs - - vds + - - gmuvus gmu称背栅跨导，

20、称背栅跨导，工程上工程上mQ us D mu g v i g 为常数，为常数，一般一般 = 0.1 0.2 q MOS管高频小信号电路模型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。用如下高频等效电路模型。 gmvgs rds gd s id vgs - - vds + - - Cds Cgd Cgs 栅源极间栅源极间 平板电容平板电容 漏源极间电容漏源极间电容（漏衬与（漏衬与 源衬之间的势垒电容）源衬之间的势垒电容） 栅漏极间栅漏极间 平板电容平板电容 场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法场效应管电路

21、分析方法与三极管电路分析方法 相似，可以采用相似，可以采用估算法估算法分析电路直流工作点；采分析电路直流工作点；采 用用小信号等效电路法小信号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。 场效应管估算法分析思路与三极管相同，场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由只是由 于于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有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。定要注意自身特点。 q 估算法估算法 MOS管管截止模式判断方法截止模式判断方法 假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大

22、模式： 放大模式放大模式 非饱和模式非饱和模式（需重新计算需重新计算Q Q点点） N沟道管沟道管：VGS VGS(th) 截止条件截止条件 非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法 a)a)由直流通路写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式。之间关系式。 c)c)联立解上述方程，选出合理的一组解。联立解上述方程，选出合理的一组解。 d)d)判断电路工作模式：判断电路工作模式： 若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)， 假设成立。假设成立。 q 小信号等效电路法小信号等效电路法 场效应管小

23、信号等效电路分法与三极管相似。场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。利用微变等效电路分析交流指标。 画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号电路模型代替用小信号电路模型代替 计算微变参数计算微变参数gm、rds 注：具体分析将在第四章中详细介绍。注：具体分析将在第四章中详细介绍。 q JFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号 S G D S G D P+P+N G S D N沟道沟道JFETP沟道沟道JFET N+N+P G S D q N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) ) VG

24、S VGS(off) V DS VGS(off) V DS VGSVGS(off) 在饱和区，在饱和区，JFET的的ID与与VGS之间也满足平方律关系，但由之间也满足平方律关系，但由 于于JFET与与MOS管结构不同，故管结构不同，故方程不同。方程不同。 q 截止区截止区 特点：特点： 沟道全夹断的工作区沟道全夹断的工作区 条件：条件： VGS 0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。 P沟道沟道FET：VDS vGS vGS(th) 因此因此当当 vGS vGS(th) 时时 N沟道沟道EMOS管管工作在饱和区工作在饱和区 。 伏安特性：伏安特性： 2 GS(th) OXn )( 2 Vv l

25、WC i iD vGS VQ IQQ 直流电阻：直流电阻： QQ / IVR （小）（小） 交流电阻：交流电阻： ivr/ （大）（大） T v i + - - + - - vR i q N沟道沟道DMOS管管GS相连相连构成有源电阻构成有源电阻 v = vDS ，vGS =0 ，i = iD由图由图 因此，当因此，当 vDS 0 vGS(th)时，管子工作在饱和区。时，管子工作在饱和区。 伏安特性即伏安特性即vGS = 0 时的输出特性。时的输出特性。 由由 2 GS(th)GS OXn )( 2 Vv l WC i 得知得知 当当vGS =0 时，电路近似恒流输出。时，电路近似恒流输出。

26、iD vDS VQ IQ Q - -VGS(th) vGS= =0 0T v i + - - + - - vR i q 有源电阻有源电阻构成分压器构成分压器 若两管若两管 n 、 COX 、VGS(th)相同，则相同，则 联立求解得：联立求解得： T1 V1 I1 + - - I2 V2 + - - VDD T2 由图由图 I1 = I2 V1 + V2 = VDD 2 GS(th)22 OXn 2 GS(th)11 OXn )()( 2 )()( 2 VV l WC VV l WC V1 + V2 = VDD 1 )/( )/( 1 )/( )/( 1 2 GS(th) 1 2 DD 2 l

27、W lW V lW lW V V 调整沟道宽长比（调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。），可得所需的分压值。 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )。 U接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连( (保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏) )。 VGS 0 ( (形成导电沟道形成导电沟道) ) P P+N+N+ SGD U VDS - + - + - +- + VGS q N沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理 栅栅 衬之间衬之间相当相当 于以于以SiO2为介质为介质 的平板电容器。的平板电容器。 当当VDS增加到

28、增加到使使VGD =VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若VDS 继续继续 A点左移点左移出现夹断区出现夹断区 此时此时 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定） 若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即不变（即Ron不变）。不变）。 因此预夹断后：因此预夹断后： P P+N+ N + S GD U VDS - + - + VGS - + - + A P P+N+ N + S GD U VDS - + - + VGS - + - + A VDS ID 基本维持不变。基本维持不变。 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线 q 非饱和区非饱和区 特点：特点： ID同时受同时受VGS与与VDS的控制。的控制。 当当VGS为常数时，为常数时，VDSID近似线性近似线性