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1、2021/3/11,1,3.2 结型场效应管,3.3 场效管应用原理,3.1 MOS场效应管,第三章 场效应管,2021/3/11,2,概 述,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）。,场效应管分类：,2021/3/11,3,3.1 MOS场效应管,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。,2021/3/11,4,3.
2、1.1 增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,2021/3/11,5,N沟道EMOS管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏PN结反偏)。,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),N沟道EMOS管工作原理,2021/3/11,6,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS =0，讨论VGS作用,VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。,2021/3/11,7,VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th) 且保持不变）,VDS很小时 VGD VGS 。此时W近似不变，即Ron不变。,由图 VGD = VGS - VDS,因此 VD
3、SID线性 。,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,2021/3/11,8,当VDS增加到使VGD =VGS(th)时 A点出现预夹断,若VDS 继续A点左移出现夹断区,此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）,若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,2021/3/11,9,若考虑沟道长度调制效应,则VDS 沟道长度l 沟道电阻Ron略。,因此 VDS ID略。,由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：,曲线形状类似三极管输出特性。,2021/3/1
4、1,10,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。,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，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。,MOSFET工作原理：,2021/3/11,11,由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,伏安特性,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。,2021/3/11,12,NEMOS管输出特性曲线,非饱和区,特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；,当VD
5、S为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,2021/3/11,13,数学模型：,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：,VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：,其中：W、l 为沟道的宽度和长度。,COX （= / OX）为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,2021/3/11,14,饱和区,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,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。,
6、注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。,2021/3/11,15,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：,工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。,通常 =( 0.005 0.03 )V-1,2021/3/11,16,截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGS VGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0，ID0,击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。,VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。,2021/3/11,17,由于MOS管CO
7、X很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q /COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。,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：,D1 D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感 生电荷起旁路作用。,2021/3/11,18,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th) = 3V,VDS = 5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。,VDS = 5V,转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启电压VGS（th） 。,2021/3/11,19
8、,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S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（P沟道）。,若| VUS | ,耗尽层中负离子数,因VGS不变（G极正电荷量不变）,ID ,根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。,阻挡层宽度 ,表面层中电子数 ,2021/3/11,20,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即 VDS 0 、VGS 0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。,不同之处：,电路符号中的箭头方向相反。,2021/3/11,21,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,2021/3/11,2
9、2,NDMOS管伏安特性,VDS 0，VGS 正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS管在饱和区与非饱和区的ID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。,2021/3/11,23,3.1.3 四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,2021/3/11,24,饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型,VDS极性取决于沟道类型,N沟道：VDS 0， P沟道：VDS 0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,增强型MOS管： VGS 与VDS 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,2021/3/11,2
10、5,临界饱和工作条件,非饱和区（可变电阻区）工作条件,|VDS | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ，,饱和区（放大区）工作条件,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,非饱和区（可变电阻区）数学模型,2021/3/11,26,FET直流简化电路模型(与三极管相对照),场效应管G、S之间开路 ，IG0。,三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。,FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：,三极管输出端等效为流控电流源，
11、满足IC= IB 。,2021/3/11,27,3.1.4 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：,由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。,而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。,与三极管输出电阻表达式 相似。,2021/3/11,28,MOS管跨导,利用,得,三极管跨导,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管放大能力比三极管弱。,2021/3/11,29,计及衬底效应的MOS管简化电路模型,考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。,gmu称背栅跨导，工程上,
12、 为常数，一般 = 0.1 0.2,2021/3/11,30,MOS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，应采用如下高频等效电路模型。,2021/3/11,31,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；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。,3.1.5 MOS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，一定要注意自身特点。,估算法,2021/3/11,32,MOS管截止模式判断方法,假定MOS管工作在放大模式：,放大模式,非饱和模式（
13、需重新计算Q点）,非饱和与饱和（放大）模式判断方法,a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。,c)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|VDS| |VGSVGS(th)|,若|VDS| |VGSVGS(th)|,b)利用饱和区数学模型：,2021/3/11,33,例1 已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)= 2V, 求ID,解：,假设T工作在放大模式,带入已知条件解上述方程组得：,VDS= VDD-ID （RD + RS）= 6V,因此,验证得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假设成立。,2021/3/
14、11,34,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。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路,将FET用小信号电路模型代替,计算微变参数gm、rds,注：具体分析将在第四章中详细介绍。,2021/3/11,35,3.2 结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,2021/3/11,36,N沟道JFET管外部工作条件,VDS 0 (保证栅漏PN结反偏),VGS 0 (保证栅源PN结反偏),3.2.1 JFET管工作原理,2021/3/11,37,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,2021/3/11,38,VDS很小时 VGD VGS,由图 VGD = VGS - VD
15、S,因此 VDSID线性 ,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢,VDS对沟道的控制（假设VGS 一定）,此时W近似不变,即Ron不变,2021/3/11,39,当VDS增加到使VGD =VGS(off)时 A点出现预夹断,若VDS 继续A点下移出现夹断区,此时 VAS =VAG +VGS =-VGS(off) +VGS （恒定）,若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。,因此预夹断后：,VDS ID 基本维持不变。,2021/3/11,40,利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS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
16、极电流ID。,JFET工作原理：,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。,2021/3/11,41,NJFET输出特性,非饱和区(可变电阻区),特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,3.2.2 伏安特性曲线,线性电阻:,2021/3/11,42,饱和区(放大区),特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。,数学模型：,在饱和区，JFET的ID与VGS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。,2021/3/11,43,截止区,特点：,沟道全夹断的工作区,条件：,VGS VGS(off
17、),IG0，ID=0,击穿区,VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿, 造成 ID剧增。,VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小,2021/3/11,44,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转换得到(略)。,ID =0 时对应的VGS值 夹断电压VGS（off） 。,VGS=0 时对应的ID 值 饱和漏电流IDSS。,2021/3/11,45,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。,JFET电路模型,利用,得,2021/3/11,46,各类FET管VDS、VGS极性比较,VD
18、S极性与ID流向仅取决于沟道类型,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下：,N沟道FET：VDS 0，ID流入管子漏极。,P沟道FET：VDS 0，ID自管子漏极流出。,JFET管： VGS与VDS极性相反。,2021/3/11,47,场效应管与三极管性能比较,2021/3/11,48,N沟道EMOS管GD相连构成有源电阻,3.3.1 有源电阻,3.3 场效应管应用原理,N沟道EMOS管工作在饱和区。,伏安特性：,2021/3/11,49,N沟道DMOS管GS相连构成有源电阻,因此，当 vDS 0 vGS(th)时，管子工作在饱和区。,伏安特性即vGS = 0 时的输出特性。,当vGS =0 时，电路近似恒流输出。,2021/3/11,50,有源电阻构成分压器,若两管n 、 COX 、VGS(th)相同，则,联立求解得：,调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。,