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1、第三章 场效应管,主要内容,3.0 概述,3.1 场效应管的工作原理,3.2 场效应管特性曲线,3.3 场效应管的使用注意事项,3.4 场效应管的等效电路,3.5 场效应管电路的分析方法,第三章 场效应管,3.0 概 述,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,也是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）。,场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流）,一、场效应管的种类,第三章 场效应管,按结构
2、不同分为,沟道：指载流子流通的渠道、路径。N沟道是指以N型材料构成的区域作为载流子流通的路径；P沟道指以P型材料构成的区域作为载流子流通的路径。,第三章 场效应管,二、场效应管的结构示意图及其电路符号,JFET结构示意图及电路符号,返回,耗尽型场管的结构示意图及其电路符号,第三章 场效应管,DMOS管结构,返回,第三章 场效应管,增强型场管的结构示意图及其电路符号,返回,场效应管的电路符号,第三章 场效应管,MOS场效应管MOSFET,结型场效应管JFET,返回,总结,总结：,第三章 场效应管,场效应管的电路符号可知：无论是JFET或是MOSFET，它都有三个电极：栅极G、源极S、漏极D。它们
3、与三极管的三个电极一一对应（其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲） ： G-B S-E D-C N沟道管子箭头是指向沟道的，而P沟道管子的箭头是背离沟道的。,返回,3.1 场效应管的工作原理,第三章 场效应管,JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变栅源电压vGS，来改变导电沟道的宽度和高度，从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流iD 的控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。(下面我们以N沟道JFET、N沟道增强型为例进行分析）,返回,第三章 场效应管,3.1.1 JFET管工
4、作原理,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),PN结反偏才能有效控制导电沟道的宽度和高度，从而才能有效控制电流。,VGS对沟道宽度的影响,VDS对沟道宽度的影响,返回,第三章 场效应管,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,返回,第三章 场效应管,VDS对沟道的控制（假设VGS 一定）,VDS很小时 VGD VGS,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,此时W近似不变,即Ron不变,VDS对沟道宽度的影响,第三章 场效应管,当VDS增加
5、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）， VDS 的增加主要加在D、A之间形成很强的电场，由S向D行进的多子越过耗尽区到达漏极形成电流,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。,返回,第三章 场效应管,N沟道EMOS管工作原理,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),增强型管子沟道形成原理,第三章 场
6、效应管,3.1.2 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。,返回,第三章 场效应管,3.2 场效应管的伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）,由于场效应管的栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,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。,NDMOSFET的特性曲线,NJFET的特性曲线,输出特性曲线可划分四个区域：,ID只受UGS控制，而与UDS近似无关，表现出类似三极管 的正向受控作用。,非饱和区（又称可变电阻区）,特点：,ID同时受UGS与UDS的控制。,NEMOS管输出特
7、性曲线,非饱和区、饱和区、截止区、击穿区。,饱和区（又称恒流区）,特点：,VGS(th)开启电压，开始有ID时对应的VGS值,截止区（ID =0以下的区域）,击穿区,IG0，ID0,第一章 半导体器件,返回,第三章 场效应管,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，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。（对应三极管的饱和区）,3.2.1 NEMOS管输出特性曲线,返回,第三章 场效应管,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出
8、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（又称恒流区）对应三极管的放大区。,饱和区,饱和区工作时的数学模型,返回,第三章 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,返回,第三章 场效应管,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
9、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。,截止区,返回,返回,第三章 场效应管,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） 。,3.2.2 NEMOS管转移特性曲线,返回,第三章 场效应管,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。,NDMOS管伏
10、安特性,返回,第三章 场效应管,NJFET管伏安特性,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。,PJFET与NJFET的差别仅在于电压极性与电流方向相反,在饱和区时的数学模型：,返回,第三章 场效应管,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,饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型,结型FET管： VGS与VDS极性相反。,MOSFET:,JFET:,几种FET管
11、子的转移特性曲线比较:,第三章 场效应管,N沟道：VDS 0,ID(mA),VGS(V),VGS(th),VGS(th),VGS(off ),VGS(th),VGS(th),VGS(off ),P沟道：VDS 0,ID(mA),VGS (V),结型,结型,耗尽型,耗尽型,增强型,增强型,增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。,耗尽型MOS管： VGS 取值任意。,结型FET管： VGS与VDS极性相反。,返回,第三章 场效应管,3.3 场效应管的使用注意事项,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)
12、，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。,第三章 场效应管,3.4 场效应管的等效电路,3.4.1 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， ID受VGS控制。,三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。,具体电路分析,小信号等效电路,第三章 场效应管,例1 已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th
13、)= 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。,返回,3.4.2 小信号电路模型,第三章 场效应管,FET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。,简化的小信号等效电路,第三章 场效应管,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。,MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)
14、,返回,gm的含义,第三章 场效应管,FET跨导,得,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。,(MOSFET管）,(JFET）,返回,第三章 场效应管,3.5 场效应管电路的分析方法,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。,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,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：,第三章 场效应管,第三章 场效应管,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。,返回,第三章 场效应管,场效应管与三极管性能比较,
