场效应管工作原理与应用讲述

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1、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 3 章 场效应管 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： MOS 场效应管 结型场效应管 3 3.1 MOS 场效应管 P 沟道(PMOS) N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS) N 沟道(NMOS) MOSFET 增强型(EMOS) 耗尽型(DMOS) N 沟道 MOS 管与 P

2、 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。 4 N + N + P+P+ P USGD 3.1.1 增强型 MOS 场效应管 q N 沟道 EMOSFET 结构示意图 源极 漏极衬底极 SiO2 绝缘层 金属栅极 P 型硅 衬底 S G U D 电路符号 l 沟道长度 W 沟道 宽度 5 N 沟道 EMOS 管外部工作条件 VDS 0 (保证漏衬 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) P P+N+N+ SGD U VDS - + - + VGS q

3、N沟道 EMOS 管工作原理 栅 衬之间相当 于以 SiO2 为介质 的平板电容器。 6 N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理 假设 VDS = 0，讨论 VGS 作用 P P+N+N+ SGD U VDS = 0 - + VGS 形成空间电荷区 并与 PN 结相通 VGS 衬底表面层中 负离子、电子 VGS 开启电压VGS(th) 形成 N 型导电沟道表面层 np VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。 反型层 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

4、- VDS 因此 VDSID 线性 。 若 VDS 则 VGD 近漏端沟道 Ron增大。 此时 Ron ID 变慢。 P P+N+ N + S GD U VDS - + VGS - + P P+N+ N + S GD U VDS - + VGS - + 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： P P+N+ N + S GD U VDS - + VGS -

5、+ A P P+N+ N + S GD U VDS - + VGS - + A VDS ID 基本维持不变。 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： ID VDS O VGS VGS(th) VGS一定 曲线形状类似三极管输出特性。 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 。 M

6、OSFET 工作原理： 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： ID = f ( VGS ) VDS = 常数 转移特性： ID = f ( VDS ) VGS = 常数 输出特性： q 伏安特性 + T VDS IG 0 VGS ID + - 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。 12 NEMOS 管输出特性曲线 q 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； ID/mA VDS /VO VDS = VGS VGS(th) VGS =

7、5 V 3.5 V 4 V 4.5 V 当 VDS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。 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 VDS 的 增加略有上翘。 注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。 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 16 q 截止区 特点： 相当于 MO

8、S 管三个电极断开。 ID/mA VDS /V O VDS = VGS VGS(th) VGS = 5 V 3.5 V 4 V 4.5 V 沟道未形成时的工作区 条件： VGS 0， P 沟道：VDS |VGS(th) |， |VDS | | VGS VGS(th) | |VGS| |VGS(th) | ， q 饱和区(放大区)工作条件 |VDS | |VGS(th) |， q 非饱和区(可变电阻区)数学模型 26 q 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 ，IG 0。 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，

9、满足平方律方程： 三极管输出端等效为流控电流源，满足 IC = IB 。 S G D ID VGS S D G IDIG0 ID(VGS ) + - VBE(on) E CB ICIB IB + - 27 3.1.4 小信号电路模型 q MOS 管简化小信号电路模型(与三极管对照) gmvgs rds gd s ic vgs - vds + - rds 为场效应管输出电阻： 由于场效应管 IG 0，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 rce 1/(ICQ) 相似。 rberce bc e ibic + - + vbe vce gmv

10、be 28 MOS 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。 29 q 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。 gmvgs rds gd s id vgs - vds + - gmuvus gmu 称背栅跨导，工程上 为常数，一般 = 0.1 0.2。 30 q 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。 gmvgs rds gd s id vgs - vds + - C

11、ds Cgd Cgs 栅源极间 平板电容 漏源极间电容(漏衬与源 衬之间的势垒电容) 栅漏极间 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 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。 q 估算法 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(需重新计算 Q 点) N 沟道管：VGS VGS(th) 截止条件 非

12、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) ，VGS VGS(th)，假设成立。 34 q 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 4 章中详细介绍。 35 3.2 结型场效应管 q JFET 结构示意图及电路符号 S G D S G D P+P+N G S

13、 D N 沟道 JFETP 沟道 JFET N+N+P G S D 36 q N沟道 JFET 管外部工作条件 VDS 0 (保证栅漏 PN 结反偏) VGS VGS(off) V DS VGS(off) V DS VGSVGS(off) 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。 43 q 截止区 特点： 沟道全夹断的工作区 条件： VGS 0，ID 流入管子漏极。 P 沟道 FET：VDS vGS vGS(th) 因此当 vGS vGS(th) 时 N 沟道 EMOS 管工作在饱和区。 伏安特性： iD vGS

14、V Q IQQ 直流电阻：(小) 交流电阻：(大) T v i + - + - vR i 49 q N 沟道 DMOS 管 GS 相连构成有源电阻 v = vDS ，vGS = 0 ，i = iD由图 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。 由得知 当 vGS = 0 时，电路近似恒流输出。 iD vDS V Q IQ Q -VGS(th) vGS= 0T v i + - + - vR i 50 q 有源电阻 构成分压器 若两管 n 、 COX 、VGS(th)相同，则 联立求解得： T1 V1 I1 + - I2 V2 + - VDD T2 由图 I1 = I2 V1 + V2 = VDD V1 + V2 = VDD 调整沟道宽长比(W/l)，可得所需的分压值。