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1、1,第3章场效应管,概述,3.1MOS场效应管,3.2结型场效应管,3.3场效应管应用原理,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：,第3章场效应管,3,3.1MOS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。,第3章场效应管,4,3.1.1增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构
2、示意图,第3章场效应管,6,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS=0，讨论VGS作用,第3章场效应管,VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。,7,VDS对沟道的控制(假设VGSVGS(th)且保持不变),VDS很小时VGDVGS。此时W2近似不变，即Ron不变。,由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性。,若VDS则VGD近漏端沟道W2Ron增大。,此时RonID变慢。,第3章场效应管,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
3、变(即Ron不变)。,因此预夹断后：,VDSID基本维持不变。,第3章场效应管,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VDSID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。,第3章场效应管,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：,第3章场效应管,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
4、：,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。,第3章场效应管,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VDS为常数时，VGSID，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。,第3章场效应管,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管工作在非饱和区时，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,SiO2层介电常数与厚度有关)为单位
5、面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,第3章场效应管,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。,注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。,第3章场效应管,另外：ID具有负的温度特性；而IC具有正的温度特性。,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=(0.0050.03)V-1,第3章场效应管,16,
6、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：,VGSVGS(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ID剧增。,第3章场效应管,17,由于MOS管COX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。,第3章场效
7、应管,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)。,第3章场效应管,19,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,反型层中电子数,第3章场效应管,20,P沟道EMOS管,N沟道EMOS
8、管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即VDS0、VGS0,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。,第3章场效应管,21,3.1.2耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,第3章场效应管,22,NDMOS管伏安特性,VDS0，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。,第3章场效应管,23,3.1.3四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,NEMOS,NDMOS,PDMOS,PEMOS,转移特性,第3章场效应管,24,25,26,饱和区(放大
9、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：VDS0，P沟道：VDS0,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,第3章场效应管,27,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电阻区)工作条件,|VDS|=|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,|VDS|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,饱和区(放大区)工作条件,|VDS|VGSVGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,非饱和区(可变电阻区)数学模型,第3章场效应管,(E),28,FET直流简
10、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，满足IC=IB。,第3章场效应管,29,3.1.4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rce1/(ICQ)相似。,第3章场效应管,（沟道长度调制系数，=1/VA）,30,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
11、放大能力比三极管弱。,第3章场效应管,31,计及衬底效应的MOS管简化电路模型（衬底与源极不相连）,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,为常数，一般=0.10.2。,第3章场效应管,32,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需考虑管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,第3章场效应管,33,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。,3.1.5MOS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
12、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,第3章场效应管,34,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),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：,第3章场效应管,35,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
13、,代入已知条件解上述方程组得：,VDS=VDD-ID(RD+RS)=6V,因此,验证得知：,VDSVGSVGS(th)，,VGSVGS(th)，,假设成立。,第3章场效应管,36,例2已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。,解：,假设T工作在放大模式,代入已知条件解上述方程组得：,VDS=VDD-VSS-ID(RD+RS)=7.31V,因此,验证得知：,VDSVGSVGS(th)，,VGSVGS(th)，,假设成立。,第3章场效应管,VS,37,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路；,将F
14、ET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。,第3章场效应管,38,3.2结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,第3章场效应管,39,N沟道JFET管外部工作条件,VDS0(保证栅漏PN结反偏),VGS0(保证栅源PN结反偏),3.2.1JFET管工作原理,第3章场效应管,40,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,N,G,S,D,+,VGS,第3章场效应管,_,41,VDS很小时VGDVGS,由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性,若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。,此时RonID变慢,VDS对沟道的控制(假设VGS一定),此时
15、W近似不变,即Ron不变,第3章场效应管,42,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：,VDSID基本维持不变。,第3章场效应管,43,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。,第3章场效应管,44,NJ
16、FET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：,第3章场效应管,45,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。,第3章场效应管,46,截止区,特点：,沟道全夹断的工作区,条件：,VGSVGS(off),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,第3章场效应管,47,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值饱和漏极电流IDSS。,第3章场效应管,48,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
