电子线性电路第3章场效应管

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。它件。它比比BJTBJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制，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。是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。三极管三极管不高，在许多场合不能满足要求。不高，在许多场合不能满足要求。 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）。FETFET靠半导体中的靠半导体中的，又称单极型晶体管，又称单极型晶体管。三极管是三极管是两种

2、两种 FETFET优点：优点：输入电阻大（输入电阻大（10107 710101212）、）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。 场效应管：压控场效应管：压控电流源器件（电流源器件（ID=gmVGS）。）。三极管：流控三极管：流控电流源器件（电流源器件（IC= IB ）。FETFET利用输入回路的利用输入回路的压压（来控制输出回来控制输出回路电流的器件，故此命名。路电流的器件，故此命名。P沟道（沟道（P-EMOS

3、） N沟道（沟道（N-EMOS） P沟道（沟道（P-DMOS） N沟道（沟道（N-DMOS） 增强型（增强型（E） 耗尽型（耗尽型（D） N- -MOS管与管与P- -MOS管工作原理相似，不同之管工作原理相似，不同之处仅在于处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，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导致加在各极上的电压极性相反。 JFET结型结型N沟道沟道P沟道沟道N-JFETP-JFET金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）绝缘栅型）N+N+P+P+PBSGDN N沟道沟道q N-EMOS FET结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极

4、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SGBD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MOSMOS管外部工作条件管外部工作条件: :两个两个PNPN结反偏。结反偏。N-EMOSN-EMOS管为：管为： VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )。 B接接电路最低电位或与电路最低电位或与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) )。1 1、由金属、氧化物和半导体制成。称为、由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属- -氧化物氧化物- -半半导体场效应管导体场效应管(M-O-S

5、)(M-O-S)。2、栅极有、栅极有SiO2绝缘层绝缘层，或简称，或简称 I-G-FET场效应管。场效应管。 3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型（沟道增强型（EMOSEMOS）管）管 MOS管衬底一般与源极相连使用；管衬底一般与源极相连使用； 栅极和衬底间形成电容。栅极和衬底间形成电容。一一. 工作原理工作原理 1、沟道形成原理。沟道形成原理。(1)(1)设设VDS =0，当当VGS=0时，时，iD=0。图图(a)(a) 3.1 3.1 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSMOS管）管）栅栅 衬之间衬之间相当于以相当于以SiO2为介质的平板电容器。为介质的平板电容器。 (2)当当VG

6、S0时，时，VGS对对沟道沟道导电能力的控制作导电能力的控制作用。图用。图(b)(b) 若若VGS0（正栅源电压）（正栅源电压）耗尽层，耗尽层，如图如图(b)所示。所示。 VGS反型层加厚反型层加厚沟道电阻变小。沟道电阻变小。 当当VGS耗尽层加宽耗尽层加宽反型层反型层N型型导电沟道，导电沟道，如如图图(C)所示。所示。反型层反型层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。2、当、当VGSVGS(th)且一定时，且一定时，VDS对沟道导电能力对沟道导电能力i iD D的的影响影响。 V VDSGSGDVVV （假设（假设V VGSGS V VGS(th)GS

7、(th) 且保持不变）且保持不变） VGD VGS(th),在VDSVGS VGS(th) 时，夹断点到的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件, 源漏极可以互换。3.1.3 EMOS场效应特性场效应特性 一、一、伏安特性伏安特性 常数DS| )(GS1SDvvfi转移特性曲线常数GS| )(DS2SDvvfi输出特性曲线非饱和区：vGSVGS(th) 0vDSVGS(th) vDSvGSVGS(th) 截止区： iD=0击穿区

8、： vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿+TVDSIG 0VGSID+- - - 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/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。沟道预夹断前对应的工作区。条

9、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 的增加略有上翘。的增加略有上翘。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。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： 工作在饱和区时，工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从管的正向受控作用，服从平方律关系式：平方律关系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI ADS2GS(th)GSOXn

10、D1)(2VVVVlWCI DS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC 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- -1SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -看成压控电流源 例例 在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG11.2 M，RG20.8 M，RS4 k，RD10 k，VDD20 V，管子参数为CoxW/(2l)0.25 mA/V2，VGS(th)2 V，试求ID。 解解 (V) 88 . 02 . 18 . 020G2G1G2DDGRRRVV0GI 4DSDSIRIV2D

11、2GS(th)GSoxnD)248(25. 0)(2IVVlWCI设MOS管工作在饱和区 16523602IIDDmA 1mA 25. 2D2D1II0 ,V9GSSVVV 6 V, 4DSGSVV，舍去mA 1DIq 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/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 增大增大到一定值时到一定值时漏衬

12、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，使绝缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成 MOS 管永管永久性损坏久性损坏。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：TD2D1D1

13、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 生电生电荷起旁路作用。荷起旁路作用。 NEMOS 管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th) = 3VVDS = 5 V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 的控制的控制作用，可由输出特性转换得到。作用，可由输出特性转换得到。 ID/mAVDS /VOVDS = 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 时对应的时对应的 VGS 值，即开启值，即开启电压

14、电压 VGS(th) 。亚阈区：亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阈区或弱反型层区。一般应避免工作在此区域衬底衬底效应效应 某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS ，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th) 相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。 q P 沟道沟道 EMOS 管管+ - + - VGSVDS

15、+ - + - SGBDNN+P+SGDUP+N 沟道沟道 EMOS 管与管与 P 沟道沟道 EMOS 管工作原理相似。管工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可。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。一、直流大信号简化一、直流大信号简化电路模型电路模型( (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 0。三极管发

16、射结三极管发射结由于正偏而导通，等效为由于正偏而导通，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，满足电流源，满足平方律平方律方程：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 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -场效应管等效电路场效应管等效电路二、二、小信号模型小信号模型 1饱和区小信号模型饱和区小信号模型 ,GSGSQgsDSDSQdsDDQdvVvvVviIi设直流量上叠加交流小信号：(,)(DGSD

17、GSDSDQgsDQDSDSQif vvIvviviv泰勒级数展开）dgsdmdssggivv2()() (1)2noxDGSGS thDSC WivVvl2(1)2(11)22noxnoxmDQDSQDQDSQC WC WgIVIVll11DQDQdsDQdsDQAIIgIrIV1dmgsdsdsmgsdsdsig vg vg vvr22noxmDQC WgIlAdsDQVrI受控电流源用戴维宁定理将电流源转换为电压源：用戴维宁定理将电流源转换为电压源：mgsdsgsm dsg vrvg r放大因子考虑衬底效应：考虑衬底效应：mQbsDmbgviggmb为衬底跨导，也称背栅跨导为常数，一般为

18、0.10.2高频小信号模型：高频小信号模型：),32(OVoxgsLlWCCOVoxgdWLCCLOV是根据经验值推导得到的栅极与源极或漏极交叠长度。 gbC为栅极与衬底之间电容。sbdb,CC 分别是漏区与衬底和源区与衬底之间PN结的势垒电容。当源极和衬底相连时，MOS管高频小信号模型可以简化为：源极和衬底相连gdgsmTCCgMOS管截止频率：2非饱和区小信号模型非饱和区小信号模型 )1( )1( |/1|GS(th)GSQoxnDSQGS(th)GSQoxnQDSDQDDSdsVVWClVVVWClviivr工作于非饱和区的MOS场效应管的低频小信号模型等效为一个电阻 2oxgdgsWl

19、CCC高频小信号模型:n沟道沟道：衬底接最低电位， iD为电子电流， vDS0，vGS正向增加，iD增加；n沟道沟道：衬底接最高电位，iD为空穴电流， vDS0，vGS负向增加，iD增加。n二者的大信号和小信号等效模型相同；n目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，适用于计算机仿真，该模型已成为一种工业标准。器件器件小结小结四种四种MOS管比较管比较名称N沟道P沟道EMOSDMOSEMOSDMOS电路符号非饱和区饱和区转移特性)(222DSDSGS(th)GSoxDvvVvlWCi2oxDGSGS(th)DS() (1)2C WivVvl39场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相场

20、效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用似，可以采用估算法估算法分析电路直流工作点；采用分析电路直流工作点；采用小信小信号等效电路法号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。MOS 管电路分析方法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。注意自身特点。q 估算法估算法40 MOS 管管截止模式判断方法截止模式判断方法假定假定

21、MOS 管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式( (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。42

22、q 小信号等效电路法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。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 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。3.2 结型场效应管结型场效应管 P沟道JFETN沟道JFET3.2.1 工作原理工作原理沟道JFET：正常工作时，P+N结反偏，阻挡层主要向低搀杂的区扩展，在vDS的作用下形成电流iD。搀杂浓度越低，VGS(off)越大（

23、绝对值越小）。随着vDS的增加，近漏端被夹端时，JFET沟道的导电能力受vGS和vDS的控制与MOS相似。DSGSGS(off)GDvvVv非饱和区饱和区沟道未形成沟道形成3.2.2 伏安特性曲线伏安特性曲线输出特性曲线：输出特性曲线：GS(off)DSGS(off)GS(off)GSDSS2GS(off)DSGS(off)DSGS(off)GS(off)GSDSSD22VVVVVIVVVVVVVII一、非饱和区一、非饱和区转移特性曲线二、饱和区二、饱和区2GS(off)GS(off)GSDSSDVVVIIADS2GS(off)GS(off)GSDSSDV1VVVVII计及沟道长度调制效应JFET看作压控电流源 三、截止区三、截止区四、击穿区四、击穿区vGSVGS(off) ，iD=0 随着vDS增加，近漏端PN结发生雪崩击穿，vGS越负，V(BR)DS越小 3.3 场效应管应用原理场效应管应用原理3.3.1 有源电阻有源电阻注意区分有源电阻的直流电阻和交流电阻。2GS(th)GSOXnD)(2VvlWCi用有源电阻接成的分压器： 22noxnox11GS(th)22GS(th)() ()() ()22CCWWVVVVll若两管工艺参数相同，则 VVV12DDVVWlWl