场效应管工作原理与应用

1、*第3章场效应管3.1 MOS场效应管3.2结型场效应管3.3场效管应用原理场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。4栋积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造3大规模集成电路的主要有源器件O场效应管分类:r mos场效应管（结型场效应管#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）。I、3.1 MOS场效应管r增强型(EMOS)MOSFET yl耗尽型(DMOS)j N 沟道(NMOS)1P 沟道(PMOS)r N 沟道(NMOS) Ip 沟道(PMOS)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

2、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。3.1.1增强型MOS场效应管 N沟道EMOSFET结构示意图电路符号漏极WIpJN沟道长度N +宽度'SiO2 、绝缘层' P型硅、 、衬底,衬底极6 N沟道EMOS管工作原理&N沟道EMOS管外部工作条件 鼻> 0 （保证漏衬PN结反偏）o=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）/#gs/a“DSUQ衬之间相当A SiO2为介质 £板电容器。> N沟道EMOSFET沟道形成原理VDS=0,讨论“GS作用X衬底表面层中 奂离子仁电子t形成空

3、间电荷区 并与PN结相通XZ%S、开启电压VgS(Ui)>表面层n»p-形成N型导电沟道%s越大，反型层中越多，导电能力越强。 vDS对沟道的控制(假设VGS > VGS(th)且保持不变)由图 VDS很小时j VGD« VGS o此时w近似不变,即/?on不变。因此 VDST-/D线性九若VDS T-则vGD J -近漏端沟道J ->心增大。此时 心仁变慢。p时f A点出现预夹断 Vds .p若vDS继续Tf A点左移f出现夹断区此时"as = “AG + “GS = _GS(th) + #GS (怛定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为I不变

4、（即心1不变）。因此预夹断后:VDS t基本维持不变。若考虑沟道长度调制效应沟道长度I I T沟道电阻人on略J。 屿此VdsTtA）略T。由上述分析可描绘出ZD随VDS变化的关系曲线:曲线形状类似三极管输出特性。MOSFET工作原理:利用半导体表面的电场效应,通过栅源电压VGS 嚅变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流妇。MOS管仅依靠一种载流子（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。14伏安特性由于MOS管栅极由 零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线:GS6输出特性:转移特性:<D=/（ “DS）D=/（ ”GS）

5、VGS =常数VDS =常数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。16条件:I非饱和区肘对应的工作区。“GS > ”GS(th)"DS V “GS - ”GS(th)特点:Zp/mAZD同时受s与“DS的控制。vDS/v18当为常数时，近似线性T，表现为一种电阻特性;当s为常数时，VgsTt/dT，表现出一种压控电阻的特性。 因此，非饱和区又称为可变电阻区。数学模型:小MOS管工作在非饱区时，厶与之间呈线性关系:D = " 丫 2(Vgs -GS(th)DS -Dsl(”GS 一 “GS(th)"DS19#其中，w、2为沟道的宽度

6、和长度。Cox(= £/ TOX)为单位面积的栅极电容量。此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器:on“nCoxWkGS _#GS (th)丿注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。饱和区/I道预夹断后对应的工作区。条件:"gS > GS(th) V DS > "gS GS(th)特点：“只受VgS控制，而与近似无关，表现出类似 三极管的正向受控作用。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（又称有源区）对应三极管的放大区。数学模型：j|工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从鉴二律关系式,="噌W(

7、怙 S(th)2 若考虑沟道长度调制效应，则如的修正方程：厂竺理(s%s(tj 1-#DS21气旦(抵_抵(新(1 +兄) 其中，2称沟道长度调制系数，其值与/有关。 通常 2 = (0.005 0.03 )VT可丿截止区止0以下的工作区域。 “GS V #GS(th) 沟道未形成时的工作区 特点：IG «o, zD«o 相当于MOS管三个电极断开。Zp/mAvDS/v击穿区 %s增大到一定值时T漏衬PN结雪崩击穿剧增。 "dsTt沟道卩T对于Z较小的MOS管T穿通击穿。电压（二Q /Cox）,使绝缘层击穿，造成MOS管永 久性损坏。I由于MOS管Cox很小，因此

8、当带电物体（或人）靠 肚金属栅极时,感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大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：、応乙0D D2 一方面限制VGS间 最大电压，同时对感生电 荷起旁路作用。> NEMOS管转移特性曲线， 转移特性曲线反映“DS为常数时，s对A）的控制 可由输曲特性转换得到。Zp/mAO 1Zp/mA转移特性曲线中，你=0时对应的“GS值，即开启电压 GS(th)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 之.间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高 P沟道）。若I %S IT T阻挡层宽度T T耗尽层中负离子数

9、T 因Vgs不变（G极正电荷量不变）T表面层中电子数丄T心丄 根据衬底电压对厶的控制作用，又称U极为背栅极。 P沟道EMOS管N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处：电路符号中的箭头方向相反。外加电压极性相反、电流A）流向相反。 即 vDS<o. vGS<o313.1.2耗尽型MOS场效应管 i DMOS管结构匕沪0时，导电沟道已存在P沟道DMOSN沟道线是实线卩DUS33NDMOS管伏安特性34#外部工作条件：rDS>0, %s正、负、零均可。DMOS管在饱和区与非饱和区的心表达式与EMOS管相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反

10、。3.1.3四种MOS场效应管比较 电路符号及电流流向D血GOJrus iNEMOS转移特性s dNDMOS加DTPEMOSS 0PDMOS/d1iUd/ 丿X.O GS(th) VGS%S(th “GSD“GS(th)o VGSGS(th)。 “GS36饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型极性取决于沟道类型N 沟道：VDS > 0, P 沟道：VDS<0VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管：s与“DS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严竺弊讥s_%s（th）2临界饱和工作条件l“Gsl > VGS(th)匕®D

11、S I = I GS ”GS(th)饱和区（放大区）工作条件> GS(th)IVDSI>I VGS-VGS(th)l39#非饱和区（可变电阻区）工作条件I“Gsl > IGS(th) I 9ivdski vGS-vGS(th)i#非饱和区（可变电阻区）数学模型“nCoxW(%S %S(th)% FET直流简化电路模型(与三极管相对照)0s0+VGs)fl鱼BO+BE(on)=-OD场效应管G、S之间开路，ZG«0o三极管发射结由于正偏而导通，等效为VbE(oh) °FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程:Id « M严 % -VGS(th)

12、2三极管输出端等效为流控电流源，满足Ic = Ph。.1.4小信号电路模型OS管简化小信号电路模型（与三极管对照）b O_ c+1+"be r肌AGe %6mVbreJce由于场效应管IG«0,所以输入电阻rgsoo0而三极管发射结正偏，故输入电阻he较小。 rds为场效应管输出电阻：尬« 1/（dq）与三极管输出电阻表达式rce« 1/q/cQ）相似。 MOS管跨导II用(vGs-vGS(th)244#三极管跨导&c內B，E“CoxW 飞厂dq=« 38.5ZCO rQ e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

13、管放大能力比三极管弱。计及衬底效应的MOS管简化电路模型誇虑到衬底电压s对漏极电流id的控制作用，小信驹Ik吐如"磊增加一个压控电流源gmu%sid45#0.2 ogmu称背栅跨导，工程上帀为常数，一般习二01 MOS管高频小信号电路模型频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用W一心栅源极间平板电容栅漏极间漏源极间电容（漏衬与源 衬之间的势垒电容） '.1.5 MOS管电路分析方法场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相 ,可以釆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。估算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

14、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。 MOS管截止模式判断方法L栽卜峯件N沟道管：V GS（th）截止条件ip、漁道管，z%（th）非饱和与饱和（放大）模式判断方法假定MOS管工作在放大模式：a）由直流通路写出管外电路"gs与妇之间关系式。b）利用饱和区数学模型：zD«（vGS-vGS（th）2c）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l%sl < GS-GSdh）1匚=> 非饱和模式（需重新计算Q点）右 ®DS > >ZGSGS（th） I 放大模式50例 1 已知 CoxW

15、/(2l) = 0.25 mA/V2, VGS(th)= 2 V,求厶假设T工作在放大模式R Vr % =vG-vs =泸晋-t。瓦JKG1 + KG2代入己知条件解上述方程组得： 仃mA r因此 bs二Vddd（心+ Rs）= 6VVDD(+20V)G2r DDT心1 r1.2 MOlSRs 4kQ验证得知:GSZD = 2.25 mAVGS = -1VGS(th)DS>%S-%（th假设成立。52小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。-将FET用小信号电路模型代替;计算微变参数gm、Qs；-利用微变等效电路分析交流指标。注：具体分析将在第4章中详细介绍。543.2结

16、型场效应管 导|JFET结构示意图及电路符号N沟道JFETP沟道JFET3.2.1 JFET管工作原理Q p+ N p+-| 厂齐 v _ J, “DSGsC) _ _ N沟道JFET管外部工作条件VGS < 0 （保证栅源PN结反偏） VDS > o （保证栅漏PN结反偏） vGS对沟道宽度的影响 右 VdS °I 阻挡层宽度TN型沟道宽度打沟道电阻(Off)若l%sl继续匸卜使Vgs = Vgs养夹断电压沟道全夹断57vDS对沟道的控制（假设vGS 一定）%二抵一 “DS 很小时 tVgdQVgS此时W近似不变厂I即A°n不变yGsOVD-若VDS Tt则V

17、GD近漏端沟道/ T此时Ron TtTd T变慢（九+0 S59ss当增加到使Vgd/ = GS(ofl)时A点出现预夹断60若VDS继续TtA点下移T出现夹断区此时 vAS = #AG + #GS = GS(off) + VGS (恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为！不变（即心1不变）。因此预夹断后:VdsTt/d基本维持不变。FET工作原理:i利用半导体内的电场效应，遇过栅源电压的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的 宽窄，控制漏极电流心。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。63伏安特性曲线NJF

18、ET输出特性非饱和区（可变电阻区）条件： WoUdsV%s %s(off)特点：如同时受与的控制。线性电阻:R°n仏ff)2，DSSVgS %S(ofT),65条件:GS GS(off)饱和区（放大区）"DS > GSGS(off)特点：只受“GS控制，而与近似无关。-IV-2VS(ofZp/mA%GS-0.5 VvGS=ovvDS/v67#V数学模型:D Q "DSS(off) J1_LPS VGS在饱和区，JFET的D与s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。截止区全夹断的工作区 条件：“GS V ”GS(off) 特点：

19、层"，ZD = ° 击穿区VDS增大到一定值时T近漏极PN结雪崩击穿T造成如剧增。VGS越负T则VGD越负T相应击穿电压V(BR)DS越小> 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 鼻得到(略)。zD=o时对应的VGS值T夹断电压VGS(off)。 VGS = 0时对应的ZD值T饱和漏电流ZDSSo> JFET电路模型Pd go=:o / o+ I（共源极）（直流电路模型）（小信号模型）72#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。® DSS（1-V GS ）2U各类FET管s、s极性比较由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类h#菅“DS、“GS极性及ZD流向归纳如下： %S极性与A）流向仅取决于沟道类型N沟道FET： VDS>0, &l