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1、3.1 MOS场效应管,Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管,或简称 MOS 场效应管。,特点:输入电阻可达 109 以上。,VGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管;,VGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,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。,3.1.1 增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,源极 S ( Source ),漏极 D(Dr
2、ain),衬底引线 U,栅极 G ( Gate ),N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,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,绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制“感应电荷”的多少,改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,以控制漏极电流 ID。,工作原理分析:,(1)VGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结,无论漏源之间加何种极性电压,总是不导电。,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS =0,讨论VGS作用,VGG,(2) V
3、DS = 0,0 VGS VGS(th),当栅极加有电压时,若0VGSVGS(th)时,通过栅极和 衬底间的电容作用,将靠近栅极 下方的 P 型半导体中的空穴向下 方排斥,出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动,但数量有限,不足以形 成沟道,将漏极和源极沟通,所 以不可能以形成漏极电流ID。,(3) VDS = 0,VGS VGS(th),进一步增加VGS,当VGSVGS(th)时(称为开启电压),此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中
4、的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。,VGG,VGS 升高,N 沟道变宽。因为 VDS = 0 ,所以 ID = 0。,VGS(th)为开始形成反型层所需的VGS,称开启电压。,VGS越大,反型层中n 越多,导电能力越强。,VDS对沟道的控制(假设VGS VGS(th) 且保持不变),VDS很小时 VGD VGS 。此时沟道深度近似不变,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。,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
5、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。,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。,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
6、原理:,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。,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,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。,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 (= / O
7、X)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。,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(又称放大区)对应三极管的放大区。,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,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)
8、,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。,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。,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
9、,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) 。,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 ,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。,3.1
10、.2 耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,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。,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,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,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电
11、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,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 。,3.1.4 小信号电路模型,MOS管简化小
12、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。,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。,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, 为常数,一般 = 0.1 0.2,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。,场效应管电
13、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,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:,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。,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。,