场效应管工作原理与应用

1、13.2 结型场效应管结型场效应管3.3 场效管应用原理场效管应用原理3.1 MOS 场效应管场效应管第第 3 章场效应管章场效应管2概概 述述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。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。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。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 场效应管是单极型器件场效应管是单极型器件( (三极管是双极型器件三极管是双极

2、型器件) )。场效应管分类：场效应管分类：MOS 场效应场效应管管结型场效应管结型场效应管33.1MOS 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，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。导致加在各极上的电压极性相反。 4N+N+P+P+

3、PUSGD3.1.1增强型增强型 MOS 场效应管场效应管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 型硅型硅 衬底衬底SGUD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5 N 沟道沟道 EMOS 管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证漏衬保证漏衬 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( (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) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + V

4、GSq 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。6 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PP+N+N+SGDUVDS = 0- + - + VGS形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与 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 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 npVGS 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

5、层反型层7 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，即近似不变，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。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 8 当当 VDS 增加到增加到使使 VGD = VGS(th) 时时

6、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 不变不变( (即即 Ron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。 9 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

7、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 变化的关系曲线：变化的关系曲线：IDVDSOVGS 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。10 MOS 管仅依靠一种载流子管仅依靠一种载流子( (多子多子) )导电导电，故称，故称单极单极型器件。型器件。 三极管中多子、少子同时参与导电，故称三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。双极型器件。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，从而改变感生沟道

8、的的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流宽窄，控制漏极电流 ID 。MOSFET 工作原理：工作原理：11由于由于 MOS 管栅极电管栅极电流为零，故不讨论输入特流为零，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+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。 12

9、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。条件：条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)考虑到沟道

10、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。15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)GSOXnD1)(2VVVVlWCI DS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC 其中，其中， 称称沟

11、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- -116q 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

12、小的 MOS 管管 穿通击穿。穿通击穿。17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 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

13、作用。荷起旁路作用。18 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，即开启电压电压 VGS(th) 。19q 衬底效应衬底效应集成电路中，许多集成电路中，许多 MOS

14、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 沟道沟道) )或最高或最高电位电位( (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 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

15、中电子电子数数 20q P 沟道沟道 EMOS 管管+ -+ - VGSVDS+ -+ - SGUDNN+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。233.1.3四种四种 MOS 场效应管比较场效应管比较q 电路符号及电流流向电路

16、符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移特性转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)24q 饱和区饱和区( (放大区放大区) )外加电压极性及数学模型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 饱和区饱和区( (放大区放大区) )工作条件工作条件|VDS | |VGS(th)

17、 |，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DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI 26q 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 0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为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 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI SGDIDVGSSD

18、GIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -273.1.4小信号电路模型小信号电路模型q 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) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -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。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。)/(1DQdsIr rb ercebce

19、ibic+- - -+vbevcegmvb e28 MOS 管跨导管跨导QGSDmvig 2GS(th)GSOXD)(2 VVlWCI 利用利用DQOXQGSDm22 IlWCvig 得得CQeQEBCm5 .38 Irvig 三极管跨导三极管跨导通常通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即量级以上，即 MOS 管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。29q 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

20、个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源 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，一般一般 = 0.1 0.2。30q 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，应采用当高频应用、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。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( (漏衬与源漏衬与源衬之间的势垒电容衬之间的势

21、垒电容) )栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容31场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相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。3.1.5MOS 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

22、意自身特点。注意自身特点。q 估算法估算法32 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

23、(th)| 若若 |VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。假设成立。34q 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。353.2结型场效应管结型场效应管q JFET 结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFETN+N+PGSD36q 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) )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之间也满足平方律