场效应管工作原理与应用.ppt

1、1，3.2结型场效应晶体管，3.3场效应晶体管的应用原理，3.1 MOS场效应晶体管，第3章场效应晶体管，2，概括而言，场效应晶体管是另一种具有正向控制作用的半导体器件。 小型、工艺简单、器件特性容易控制，是目前制造大规模集成电路的主要源器件。场效应晶体管与晶体管的主要区别：场效应晶体管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻。 场效应晶体管是单极型器件(三极管是双极型器件)。 场效应晶体管分类：3、3、3,3.1MOS场效应晶体管、n沟道MOS晶体管和p沟道MOS晶体管的工作原理相似，不同的是它们形成电流的载流子的性质不同，所以施加在各极上的电压极性相反。 4、4、4,3.1.1增强型MOS场效应管

2、、n沟道EMOSFET结构示意图、5、n沟道EMOS管外部工作条件、VDS 0(保证漏极衬底PN结偏置)。与u连接电路的最低电位或s极连接(保证源极衬底PN结的反向偏置)。 研究VGS 0(导电沟道形成)、n沟道EMOS管的工作原理、6、n沟道EMOSFET沟道形成原理、假设VDS=0、VGS作用，VGS越大，反转层中的n越多，导电能力越强。 7、基于VDS的信道的控制(假定VGS VGS(th )不变化)，在VDS小时VGD VGS。 此时w几乎不变，即Ron不变。 从图VGD=VGS - VDS，VDSID是线性的。 作为VDS的VGD附近的漏极沟道Ron增大。 此时Ron ID会变慢。

3、当VDS增加到VGD=VGS(th )时，在a点出现预夹断，当VDS继续向左移动a点时，出现夹断区域，此时VAS=VAG VGS=-VGS(th) VGS (一定)被忽略，因此，预备击穿另外，考虑到沟道长度调制效果，VDS沟道长度l沟道电阻Ron省略。 因此，VDS ID将被省略。 从上述解析可以描绘出ID随VDS而变化的关系曲线：曲线形状与三极管输出特性相似。 10、MOS管仅由一种载体(多子)导电，因此被称为单极型器件。 由于晶体管中的多子少子同时参与导电，因此被称为双极器件。 利用半导体表面的电场效应，根据栅极源极电压VGS的变化，使感应电荷的多少变化，使感应沟道的宽度变化，控制漏极电流

4、ID。 MOSFET工作原理：11，因为MOS管的栅极电流为零，所以不讨论输入特性曲线。 源组类型特性曲线：伏安特性、传输特性和输出特性反映了与场效应管相同的物理过程，并可以在它们之间相互转换。12、NEMOS管输出特性曲线、非饱和区域、特征：ID由VGS和VDS双方控制。 VGS为常数时，VDSID大致呈线性，表示电阻特性，VDS为常数时，VGS ID表示电压控制电阻的特性。通道预夹前对应的工作区。 因此，非饱和区域也被称为可变电阻区域。13、数学模型：此时，MOS管理可被视为电阻值由VGS控制的线性电阻器：当具有小VDS的MOS管理在非全区域中操作时，ID与VDS之间具有线性关系：其中，w

5、和l是沟道的宽度和长度。 COX (=/OX )是每单位面积的栅极电容。 注意：非饱和区域相当于晶体管的饱和区域。14、饱和区、特征：ID仅受VGS控制，与VDS近似无关，呈现三极管这样的正向控制作用。通道预夹紧断开后对应的工作区。 考虑沟道长度的调制效果，输出特性曲线随着VDS的增加而略微翘曲。 注意：饱和区域(也称为有源区域)对应于三极管的放大区域。15、数学模型：考虑信道长度调制效应，当工作在ID的校正方程：饱和区域中时，MOS管的前向控制作用被称为平方律关系式：其中，信道长度调制系数的值与l相关。 通常=(0. 0050.03 ) v-1，16，断路区，特点：相当于MOS管的3个电极断

6、开。 未形成通道时的工作区，条件：VGS VGS(th )、ID=0以下的工作区。 IG 0、ID 0、击穿区域、VDS增大到一定值后，漏极线PN结雪崩击穿ID急剧增加。 VDS沟道l对于l小的MOS管道贯穿破坏。17、因为MOS管COX小，带电物(或者)接近金属栅极时，感应电荷在SiO2绝缘层上产生大的电压VGS(=Q /COX )，破坏绝缘层，MOS管永久性破坏。MOS管保护对策：个别的MOS管：各极导线短路、烙铁外壳接地。 MOS集成电路：D1 D2用于在限制VGS之间的最大电压的同时旁路感应电荷。 在18、NEMOS管转移特性曲线、VGS(th)=3V、VDS=5 V、转移特性曲线反映

7、VDS为常数的情况下，VGS对ID的控制作用能够从输出特性进行转换。 在，VDS=5 V，迁移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即导通电压VGS(th )。19、在衬底效应、集成电路中，许多MOS管制作在同一衬底上，衬底应该连接电路最低电位(n沟道)或最高电位(p沟道)，以确保u和s、d之间的PN结的反向偏置。 如果| VUS |，耗尽层中的负离子数由于VGS不变化(g极正电荷量不变化)，ID由于基板电压对ID的控制作用，也称为u极背栅。 势垒层宽度、表面层中的电子数、20、p沟道EMOS管、n沟道EMOS管与p沟道EMOS管的工作原理相似。 即，VDS 0、VGS 0的施加电压的极性相反

8、，电流ID的流动相反。 区别点：回路符号的箭头方向相反。21、3.1.2耗尽型MOS场效应管、DMOS管结构、22、NDMOS管伏安特性、VDS 0、VGS正、负、零的任意一种。 外部工作条件：DMOS管在饱和区和非饱和区的ID公式与EMOS管相同。 PDMOS和NDMOS的区别只是电压极性和电流方向相反。23，3.1.34种MOS场效应晶体管的比较、电路符号和电流的流动、转移特性、24、饱和区域(放大区域)施加电压极性和数学模型、VDS极性取决于沟道类型，n沟道： VDS 0、p沟道： VDS 0、耗尽型MOS管： VGS是任意的饱和区域数学模型与管类型无关，包括：25、临界饱和工作条件、非

9、饱和区域(可变电阻区域)工作条件、|VDS |=| VGS VGS(th) |、|VGS| |VGS(th) |， 非饱和区域(可变电阻区域)的数学模型、26、FET直流简化电路模型(与晶体管对比)、三极管的发射极结通过正偏压导通，与VBE(on )等效。 FET输出端等效于电压控制电流源，满足平方律方程：晶体管输出端等效于流控制电流源，满足IC=IB。27、3.1.4小信号电路模型、MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)、rds为场效应管输出电阻：因场效应管IG 0，输入电阻rgs。 由于晶体管的发射极结被正偏置，所以输入电阻rbe小。 与晶体管输出电阻式rce 1/(ICQ )相似。

10、28、MOS管的跨导，通常MOS管的跨导比三极管的跨导小一位数以上，即MOS管的放大能力比三极管弱。 校正衬底效应的MOS管简化了电路模型，考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，需要在小信号等效电路中追加电压控制电流源gmuvus。 另外，gmu被称为背栅跨导，在工序上是常数，一般是=0.1 0.2。 30、MOS管高频小信号电路模型在受高频应用、需求纠正和管极间电容的影响时，应采用以下高频等效电路模型。 31、场效应管电路的分析方法与三极管电路的分析方法类似，可以用估计法分析电路的直流工作点，用小信号等效电路法分析电路的动态指标。 3.1.5MOS管电路分析方法、场效应管估计法的分析

11、构想与三极管相同，但由于两种管的工作原理不同，外部工作条件有明显差异。 因此，用估计法分析场效应管道电路时，必须注意自己的特征。 假定推定法、32、MOS管切断模式判定方法、MOS管动作为放大模式：放大模式、非饱和模式(需要再次运算q点)、非饱和和饱和(放大)模式判定方法、a )从直流路径写入管外电路VGS和ID的关系式c )联立求解上述方程式，选择一组合理的解。 d )判定电路动作模式：|VDS| vgs vgs (th )| VDS| vgs vgs (th ) |，b )饱和区域数学模型：33，解：假设t动作是扩大模式，代入已知的条件来求解上述方程组：VDS=VDD - ID (RD R

12、S)=6 V 验证、VDS VGSVGS(th )、34、小信号等效电路法、场效应管小信号等效电路法与三极管类似。 用微变等效电路分析交流指标。 修正将描绘交流路径的FET替换为小信号电路模型的微残奥制仪表gm、rds，注：具体的分析在第4章详细说明。35，3.2结型场效应晶体管、JFET结构示意图及电路符号、36，n沟道JFET管外部动作条件、VDS 0(保证栅极、漏极、PN结偏置)、VGS 0(保证栅极、源极、PN结偏置)、3.2.1JFET VDS小时VGD VGS 此时Ron ID变慢，基于VDS的通道的控制(假定VGS为一定)，此时w几乎不变，即Ron不变，39、若VDS增加到VGD

13、=VGS(off )，则在a点出现预夹断，VDS 40、利用半导体内的电场效应，根据栅极源极电压VGS的变化来改变阻挡层的宽度窄，改变导电沟道的宽度窄，控制漏极电流ID。 JFET的工作原理：如上所述，JFET和MOSFET的工作原理相似，它们利用电场效应来控制电流，不同的只是导电沟道形成的原理不同。41、NJFET输出特性、非饱和区域(可变电阻区域)、特征：ID由VGS和VDS二者控制。3.2.2伏安特性曲线、线性电阻：42、饱和区(放大区)、特征：ID仅受VGS控制而不近似于VDS。 数学模型：饱和领域中，JFET的ID和VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET和MOS管结构不同，方程式

14、不同。43、截断区域、特征：通道全夹断工作区、条件：VGS VGS(off )、IG 0、ID=0、击穿区域、VDS大到一定值时，近漏极PN雪崩击穿，ID急剧增加。 VGS越是负，VGD越是负的相应击穿电压V(BR)DS越小，44、JFET的转移特性曲线与MOS管同样，JFET的转移特性也可以从输出特性转换(省略)。 ID=0时对应的VGS值将电压VGS(off )夹断。VGS=0时对应的ID值饱和漏电流IDSS。 45、JFET电路模型与MOS管相同。 但是，由于两种管在饱和区域数学模型不同，因此跨导修正公式不同。JFET电路模型、利用、获得、46、各种FET管VDS、VGS极性比较、VDS极性和ID流仅依赖于通道类型，VGS极性依赖于动作方式和通道类型，FET类型多，因此难以单独存储JFET管： VGS和VDS的极性相反。47、场效应晶体管与晶体管的性能