第3章场效应管学习教案

1、会计学1第第3章场效应管章场效应管第一页，共49页。23.1MOS 场效应管场效应管P 沟道沟道( (PMOS) ) N 沟道沟道( (NMOS) ) P 沟道沟道( (PMOS) ) N 沟道沟道( (NMOS) ) MOSFET增强型增强型( (EMOS) ) 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，不同之处管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此(ync)导致加在各导致加在各极上的电压极性相反。极上的电压极性相反。 第1页/共49页第二页，共49页。3N+N+P

2、+P+PUSGD3.1.1增强型增强型 MOS 场效应管场效应管q N 沟道沟道(u do) EMOSFET 结构示意结构示意图图源极源极漏极漏极衬底衬底极极 SiO2绝缘绝缘层层金属栅极金属栅极P 型硅型硅 衬底衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长沟道长度度W沟道沟道宽度宽度第2页/共49页第三页，共49页。4 N N 沟道沟道 EMOS EMOS 管外部管外部(wib)(wib)工工作条件作条件 VDS 0 (保证保证(bozhng)漏衬漏衬 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(xin lin)(保证源衬保证源衬 PN 结反偏结反偏)。 VG

3、S 0 ( (形成导电沟道形成导电沟道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq 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。第3页/共49页第四页，共49页。5 N 沟道沟道(u do) EMOSFET 沟道沟道(u do)形成原理形成原理 假设假设(jish) VDS = 0，讨论，讨论 VGS 作作用用PP+N+N+SGDUVDS = 0- + - + VGS形成空间电荷形成空间电荷区区并与并与 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 V

4、GS 开启电压开启电压VGS(th)形成形成 N 型导电沟型导电沟道道表面层表面层 npVGS 越大，反型层中越大，反型层中 n 越多，导电越多，导电(dodin)能力越强。能力越强。反型层反型层第4页/共49页第五页，共49页。6 VDS 对沟道的控制对沟道的控制(kngzh)(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(c sh) W 近似不变，即近似不变，即 Ron 不变。不变。由图由图VGD = VGS - - VDS因此因此(ync) VDS ID 线性线性 。 若若 VDS 则则 VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron

5、增大。增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 第5页/共49页第六页，共49页。7 当当 VDS 增加到使增加到使 VGD = VGS(th) 时时 A 点出现点出现(chxin)预夹断预夹断 若若 VDS 继续继续 A 点左移点左移 出现出现(chxin)夹夹断区断区此时此时(c sh) 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 不变不变( (即即 R

6、on不变不变) )。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本维持不变。基本维持不变。 第6页/共49页第七页，共49页。8 若考虑沟道长度调制若考虑沟道长度调制(tiozh)效应效应则则 VDS 沟道沟道(u do)长度长度 l 沟道沟道(u do)电电阻阻 Ron略略 。因此因此(ync) 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 变化的关系曲线：变化的关系曲线：IDVDSOVGS VGS(th)VGS一定一定曲线

7、形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。第7页/共49页第八页，共49页。9 MOS 管仅依靠一种管仅依靠一种(y zhn)载流子载流子(多子多子)导电，故称单极导电，故称单极型器件。型器件。 三极管中多子、少子三极管中多子、少子(sho z)同时参与导电，故称双极同时参与导电，故称双极型器件。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 的变的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄(kunzhi)，控制漏极电流，控制漏极电流 ID 。MOSFET 工作原理：工作原理：第8页/共

8、49页第九页，共49页。10由于由于 MOS 管栅极电流为管栅极电流为零 ， 故 不 讨 论 输 入 特 性零 ， 故 不 讨 论 输 入 特 性(txng)曲线。曲线。 共源组态共源组态(z ti)特性曲线特性曲线：ID = f ( VGS )VDS = 常数常数转移特性：转移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常数常数输出特性：输出特性：q 伏安伏安(f n)(f n)特特性性+TVDSIG 0VGSID+- - -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。 第9页/共49页第十页，共49页

9、。11 N E M O S N E M O S 管 输 出 特 性 曲 线管 输 出 特 性 曲 线(qxin)(qxin)q 非饱和区非饱和区特点特点(tdin)(tdin)：ID 同时同时(tngsh)受受 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/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V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

10、前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(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 的增加的增加略有上翘。略有上翘。注意：饱和区注意：饱和区( (又称有源区又称有源区) )对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。第12页/共49页第十三页，共49页。14数学模型：数学模型：若考虑沟道长度若考虑沟道长度(chngd)调制效应，则调制效应，则 ID 的修正方的修正方程：程： 工作在饱和区时，工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用管的正向受控作用(zuyng)，服从，服从平方律关系式：平

11、方律关系式：其中，其中， 称沟道长度调制系数称沟道长度调制系数(xsh)，其值与，其值与 l 有关。有关。通常通常 = (0.005 0.03 )V- -1第13页/共49页第十四页，共49页。15q 截止截止(jizh)(jizh)区区特点特点(tdin)：相当于相当于 MOS 管三个电极管三个电极(dinj)断开。断开。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V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 以下的工作区域。以下的工作区域。IG 0，ID 0q 击穿区击穿区 VDS 增大

12、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。第14页/共49页第十五页，共49页。16由于由于 MOS 管管 COX 很小，因此当带电物体很小，因此当带电物体(或人或人)靠靠近金属栅极时，感生电荷在近金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大绝缘层中将产生很大的电压的电压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，使绝缘层击穿(j chun)，造，造成成 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：各极引线短接、烙

13、铁管：各极引线短接、烙铁(lo tie)外壳接外壳接地。地。MOS 集成电路集成电路(jchng-dinl)：TD2D1D1 D2 一方面限制一方面限制 VGS 间最间最大电压，同时对感大电压，同时对感 生电荷起生电荷起旁路作用。旁路作用。第15页/共49页第十六页，共49页。17 NEMOS NEMOS 管转移管转移(zhuny)(zhuny)特性曲特性曲线线VGS(th) = 3VVDS = 5 V转移特性曲线转移特性曲线(qxin)反映反映 VDS 为常数时，为常数时，VGS 对对 ID 的控制作用，可由输出特性转换得到。的控制作用，可由输出特性转换得到。 ID/mAVDS /VOVDS

14、 = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 VVDS = 5 VID/mAVGS /VO12345转移特性曲线中，转移特性曲线中，ID = 0 时对应时对应(duyng)的的 VGS 值，即开启电压值，即开启电压 VGS(th) 。第16页/共49页第十七页，共49页。18q 衬底效应衬底效应(xioyng)(xioyng)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(bozhng) 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 沟道沟道)或最高电位或最高电位(P 沟道沟道

15、)。 若若| VUS | - - +VUS耗尽层中负离子数耗尽层中负离子数 因因 VGS 不变不变( (G 极正电荷量不变极正电荷量不变) )ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根据衬底电压对根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称的控制作用，又称 U 极为极为(j wi)背栅极背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻挡层宽度阻挡层宽度 表面层中表面层中电子电子数数 第17页/共49页第十八页，共49页。19q P P 沟道沟道(u do) (u do) EMOS EMOS 管管+ -+ - VGSVDS+ -+ - SGUDNN+P+SGDU

16、P+N 沟道沟道 EMOS 管与管与 P 沟道沟道 EMOS 管工作原理管工作原理(yunl)相相似。似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可。正、负、零均可。外部工作外部工作(gngzu)条件：条件：DMOS 管在饱和管在饱和(boh)区与非饱和区与非饱和(boh)区的区的 ID 表达式与表达式与 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。第20页/共49页第二十一页，共49页。223.1.3四种四种(s zhn) MOS 场效应场效应管比较管比较q 电路电路(dinl)(dinl)符号及

17、符号及电流流向电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移转移(zhuny)(zhuny)特性特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第21页/共49页第二十二页，共49页。23q 饱和区饱和区( (放大放大(fngd)(fngd)区区) )外加电压极性及数学模外加电压极性及数学模型型 VDS 极性取决于沟道极性取决于沟道(u do)类型类型N 沟道沟道(u do)：VDS 0， P 沟道沟道(u do)：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS

18、(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 饱和区饱和区( (放大放大(fngd)(fngd)区区) )工作条工作条件件|VDS | |VGS(th) |，q 非饱和区非饱和区( (可变电阻区可变电阻区) )数学模型数学模型第23页/共49页第二十四页，共49页。25q FET 直流简化电路直流简化电路(dinl)模型模型(与三极管相对与三极管相对照照) 场效应管场效应管 G、S 之间开路之间开路(kil) ，IG 0。三极管发射结由于三极管发射结由于(yuy)正偏而导通，等效为正偏而导通，等效为 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

19、，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 。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -第24页/共49页第二十五页，共49页。263.1.4小信号小信号(xnho)电路模电路模型型q MOS 管简化小信号电路管简化小信号电路(dinl)模型模型(与三极管对照与三极管对照) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds 为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻： 由于由于(yuy)场效应管场效应管 IG 0，所以输入电阻，所以输入电阻 rgs 。而三极管发射结正

20、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。与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 rce 1/( ICQ) 相似。相似。rb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e第25页/共49页第二十六页，共49页。27 MOS 管跨管跨导导QGSDmvig 通常通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数量管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上级以上(yshng)，即，即 MOS 管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。第26页/共49页第二十七页，共49页。28q 计及衬底效应的计及衬底效应的 MOS 管简化电路管简化电路(dinl)模型模

21、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(dinli) id 的控制作用，的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流小信号等效电路中需增加一个压控电流(dinli)源源 gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu 称背栅跨导，称背栅跨导，工程上工程上mQusDmugvig 为常数为常数(chngsh)，一般，一般 = 0.1 0.2。第27页/共49页第二十八页，共49页。29q MOS 管高频管高频(o pn)小信号电路模型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，应采用用(

22、ciyng)如下高频等效电路模型。如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs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第28页/共49页第二十九页，共49页。30场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可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；采用小信号以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号(xnho)(xnho)等等效电路法分析电路动态指标。效电路法分析电路动态指标。3.1.5MOS 管电

23、路管电路(dinl)分析方分析方法法场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于(yuy)(yuy)两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显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。点。q 估算法估算法第29页/共49页第三十页，共49页。31 MOS MOS 管截止模式管截止模式(msh)(msh)判断方判断方法法假定假定(jidng) MOS 管工作在放大模管工作在放大模式：式：放大放大(fngd)(fngd)模模式式非饱和模

24、式非饱和模式( (需重新需重新计算计算 Q 点点) )N 沟道管：沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件 非饱和与饱和非饱和与饱和( (放大放大) )模式判断方法模式判断方法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) )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) )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。第31页/共49页第三十二页，共49页。33q 小信号小信号(xnho)

25、(xnho)等效电等效电路法路法场效应管小信号场效应管小信号(xnho)等效电路分法与三极管相等效电路分法与三极管相似。似。 利用微变等效电路分析交流利用微变等效电路分析交流(jioli)指标。指标。 画交流通路；画交流通路； 将将 FET 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：具体分析将在第注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。章中详细介绍。第32页/共49页第三十三页，共49页。343.2结型场效应管结型场效应管q JFET 结构结构(jigu)示意图及电路符号示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFETN+N+PGSD第33页/共49页第三十四页，共49页。35q N N沟道沟道(u do) JFET (u do) JFET 管外部工作条管外部工作条件件 VDS 0 (保证保证(bozhng)栅漏栅漏 PN 结反结反偏偏)VGS 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，之间也满足平方律关系，但由于但由于 JFET 与与 MOS 管结构不同，故方程不同。管结构不同，故方程不同。第40页/共49页第四十一页，共49页。4