MOS基本原理

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1、 第三章 晶体场效应管3.23.2 结型场效应管结型场效应管3.33.3 场效管应用原理场效管应用原理3.13.1 MOSMOS场效应管场效应管第三章第三章 场效应管场效应管退出第三章 晶体场效应管 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。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）。场效应管分类场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管退出第三章 晶体场效应管3.1 3.1 MOSMOS场效应管场效应管P沟道（P

2、MOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS） MOSMOSFETFET增强型（EMOS） 耗尽型（DMOS） 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。 退出第三章 晶体场效应管N+N+P+P+PUSGD3.1.1 3.1.1 增强型增强型MOSMOS场场效应管效应管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SGUD电路符号l沟道长度W沟道 宽度退出第三章 晶体场效应管 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

3、电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏) 。 VGS 0 (形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS - + - + VGSq 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。退出第三章 晶体场效应管 N沟道EMOSFET沟道形成原理 假设VDS =0，讨论VGS作用PP+N+N+SGDUVDS =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 npVGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。反型层退出第三章 晶体场效应管 VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th) 且保持不变） V

4、DS很小时 VGD VGS 。此时W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 Ron增大。此时 Ron ID 变慢。PP+N+N+SGD UVDS- + VGS- + PP+N+N+SGD UVDS- + VGS- + 退出第三章 晶体场效应管 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：PP+N+N+SGD UVDS- + V

5、GS- + APP+N+N+SGD UVDS- + VGS- + AVDS ID 基本维持不变。 退出第三章 晶体场效应管 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：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。退出第三章 晶体场效应管 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：退

6、出第三章 晶体场效应管由于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 VDSIG0VGSID+-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。 第三章 晶体场效应管 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/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V当VDS为常数时，VGS ID ，表现

7、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 VGSVGS(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。退出第三章 晶体场效应管数学模型 ：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退出第三章 晶体场效应管q 截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)

8、VGS =5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件： VGS 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。退出第三章 晶体场效应管3.1.3 3.1.3 四种四种MOSMOS场场效应管比较效应管比较q 电路符号及电流流向SGUDIDSGUD IDUSGD IDSGUD IDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS q 转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)退出第三章 晶体场效应管q 饱和区（放大区）外

9、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 |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）数学模型退出第三章 晶体场效应管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 ，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 。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS )+-VBE(o

10、n)ECBICIBIB+-退出第三章 晶体场效应管 3.1.4 3.1.4 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(与三极管对照) gmvgsrdsgdsicvgs -vds+- 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。rbercebceibic+-+vbevcegmvbe退出第三章 晶体场效应管 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。退出第三章 晶体场效应管q 计及衬底效应的MOS管简化电路模型考虑

11、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。gmvgsrdsgdsidvgs -vds+-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上 为常数，一般 = 0.1 0.2退出第三章 晶体场效应管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。gmvgsrdsgdsidvgs -vds+-CdsCgdCgs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 平板电容退出第三章 晶体场效应管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

12、析电路动态指标。3.1.5 3.1.5 MOSMOS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 估算法退出第三章 晶体场效应管 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| VGSVG

13、S(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。退出第三章 晶体场效应管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：具体分析将在第四章中详细介绍。退出第三章 晶体场效应管3.2 3.2 结型场效应管结型场效应管q JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD退出第三章 晶体场效应管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(

14、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。退出第三章 晶体场效应管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：iDvGSVQIQQ直流电阻：（小） 交流电阻：（大）Tvi+-+-vRi退出第三章 晶体场效应管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。iDvDS VQIQQ-VGS(th)vGS=0T vi+-+-vRi退出第三章 晶体场效应管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 V1I1+-I2V2+-VDDT2由图I1 = I2 V1 + V2 = VDDV1 + V2 = VDD调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。退出