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1、第 一 章,半 导 体 器 件 与 模 型,1.5 场效应管,(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,场效应管的特点,(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。,(2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，,(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。,场效应管的分类,(2)结型场效应管(JFET),(1)金属绝缘栅型半导体场效应管(MISFET),(3)金属半导体场效应管(MESFET),(4)异质场效应管(Hetero FET),1.5.1 MOS场效应管,MOS场效应管由金属、二氧化
2、硅绝缘层、半导体构成。,N沟道增强型,1. 增强型MOS管,管子组成：,电路连接图,（1）N沟道的形成及导电过程,栅极悬空时，漏极和源极之间未形成导电沟道,在D、S之间不形成电流。,当栅极悬空或VGS=0V时,PN结反偏，i D=0,当栅极加有电压时,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，将 漏极和源极沟通,不能以形成漏极电流 ID 。,进一步增加VGS,（开启电压),栅极电压较强，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
3、极沟通。,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，且与P 型半导体的载流子空穴极性相反,衬底表面形成空间电荷区,开始形成导电沟道的VGS,反型层,随着VGS的继续增加，反型层加宽，在漏源间形成载流子流通通道沟道。,连续的耗尽层将源区、漏区和沟道与衬底分隔开来。,增强型MOS场效应管： 靠增强栅源电压来形成导电沟道的MOS管。,？,VDS的变化对沟道的影响？,且固定为某一值时,且固定为某一值时,根据此图有如下关系：,VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS较小时,相对,当VDS继续增加 时,沟道的变化？,VDS 继续增加横向电场 沟道中电子漂 移速度 i D,VDS 对 i D 有调节
4、作用,漏端沟道被夹断,相当于VDS 增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况，称为预夹断。,当,预夹断区域加长伸向 S 极。,说明：,（3）在漏端夹断前i D受VDS影响。,（1）VGS 对i D有控制作用；,（4）i D由N+的多子电子的漂移运动形成单极型特性。,（2）VGS 增加，使沟道中电子浓度增加，沟道电阻减小，i D增加， 反之减小；,FET电路组成形式,共漏、共源、共栅,共漏电路,（2）输出特性曲线,MOS场效应管的特性通常由输出特性来表示,非饱和区（可变电阻区）,沟道夹断前,输出特性,沟道电导：,饱和区,输出特性,在放大电路中，场效应管应工作在饱和区，故饱和区又称为场效应管的放大区
5、。,饱和区，v DS 对沟道长度有调节作用，使输出特性曲线略微上翘。,沟道调制因子,截止区,沟道没有形成,击穿区,v DS过大,绝缘层在强电场作用下击穿，造成永久性损坏,引起穿通击穿,3）转移特性曲线,v DS 的增大使电流增大,MOSN沟道增强型饱和工作区偏置条件,4) 衬底电位对场效应管的影响,为了保证PN结反偏，对N沟道MOS场效 应管，v BS 必须是负压。,衬底与源极间的电压,v BS负压的增大将使电流减小,N沟道耗尽型MOS是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。,2. 耗尽型MOS场效应管,沟道的形成？,正离子已经在漏源之间感应出反型层，形成了沟道。,只要有漏源电压
6、，就有漏极电流存在。,沟道的形成,P沟道,N沟道,耗尽型MOS场效应管的电路符号,漏极电流的产生,夹断电压,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：,输出特性,转移特性,饱和漏电流,由N 沟道增强型 MOS 管特性,得,且有,1.5.2 结型场效应管,1. 结型场效应管的结构和工作原理,N沟道 P沟道,(1) 结构,结型场效应管没有外加栅压就已形成导电沟道，也属于耗尽型。,N 沟道结型场效应管,符号,导电沟道是 N型的,P 沟道场效应管,导电沟道为 P 型,符号,(2) 工作原理,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区,3 ) 在漏源极间加正向 VDD，使 v DS 0,在漏源间加负电源 VGG，观
7、察 v DS 变化时 耗尽层和漏极 i D,2. 结型场效应管的伏安特性曲线,（1） 输出特性曲线,当栅源之间的电压 v GS 不变时，漏极电流 i D 与漏源之间电压 v DS 的关系，即,（2）转移特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,在漏极特性上用作图法求转移特性,饱和区场效应管的导电沟道,各类场效应管的符号和特性曲线,1.5.4 场效应管的转移特性与电路模型,1.转移特性,JFET和耗尽型MOSFET的转移特性的 方程式,或,2.场效应管的小信号等效电路,描述场效应管特性的电量,漏极电流,由场效应管工作原理知：,当场效应管工作在输出特
8、性的夹断区并加入交流小信号时,对i D全微分,跨导,漏极输出电阻,在小信号条件下,微变等效电路（受控电流源电路）,微变等效电路（受控电压源电路）,放大因子：,简化的微变等效电路,FET的高频模型,1.5.5 场效应管的主要参数及FET与三极管的比较,1. 场效应管的主要参数,直流参数,1）饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应三极管, 当 VGS = 0 时 所对应的漏极电流。,夹断电压是耗尽型FET的参数，, 开启电压是MOS增强型管的参数，,时, 场效应管不能导通。,当VGS=VP时, 漏极电流为零。,3） 直流输入电阻 RGS,对于绝缘栅型场效应三极管: RGS 约是1091015。,对于
9、结型场效应三极管: 反偏时 RGS 约大于 107,交流参数,1） 低频跨导 gm,描述栅源之间的电压 VGS 对漏极电流 i D 的控制作用。,单位：gm 西门子(S),绝缘栅耗尽型场效应三极管,结型场效应三极管:,绝缘栅增强型场效应三极管,由,且满足,可得,2） 极间电容,极间电容愈小，管子的高频性能愈好。,一般为几个皮法。,极限参数,1）最大漏极耗散功率 PDM,漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,2）最大漏极电流 IDM,由场效应管允许的温升决定。,3） 漏源击穿电压 V(BR)DS,4） 栅源击穿电压V(BR)GS,当漏极电流 i D 急剧上升产生雪崩击穿时的 v DS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若v GS V (BR)GS ，PN结将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,双极型和场效应型三极管的比较,基本概念,2.场效应管的特性输出特性曲线、转移特性曲线,4. 主要参数输入电阻 RGS、低频跨导 gm、饱和漏极电流 IDSS、开启电压、夹断电压,3. 电路模型 小信号模型,1. MOS场效应管导电条件增强型管、耗尽型管、VGS 对i D的控制作用、VDS对i D的影响、衬底电位对场效应管的影响,
