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1、1,3.2 结型场效应管,3.3 场效管应用原理,3.1 MOS 场效应管,第 3 章 场效应管,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:,3,3.1 MOS 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。,4,3.1.1 增强型 MOS 场效应管,N 沟道 EMOSFET
2、 结构示意图,5,N 沟道 EMOS 管外部工作条件,VDS 0 (保证漏衬 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,6,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。,7,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 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
3、 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,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 不变(即 Ron不变)。,因此预夹断后:,VDS ID 基本维持不变。,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 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。,10,MOS 管仅依靠一种载流子(多子)导电,故称单
4、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:,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:,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。,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,VGS ID ,表现出一种压控电阻的特性。,沟道预
5、夹断前对应的工作区。,因此,非饱和区又称为可变电阻区。,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) 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。,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。,15,数学模型:,
6、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-1,16,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),ID = 0 以下的工作区域。,IG 0,ID 0,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。,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
7、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。,18,NEMOS 管转移特性曲线,VGS(th) = 3V,VDS = 5 V,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 = 5 V,转移特性曲线中,ID = 0 时对应的 VGS 值,即开启电压 VGS(th) 。,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
8、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 ,20,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。,21,3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管,DMOS 管结构,22,NDMOS 管伏安特性,VDS 0,VGS 正、负、零均可。
9、,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。,23,3.1.3 四种 MOS 场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,24,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,25,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电阻区)工作条件,|VDS | = | VGS
10、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,26,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 ,IG 0。,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 。,27,3.1.4 小信号电路模型,MOS 管简化小信号电路模型(与
11、三极管对照),rds 为场效应管输出电阻:,由于场效应管 IG 0,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 rce 1/(ICQ) 相似。,28,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 管放大能力比三极管弱。,29,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。,30,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
12、响时,应采用如下高频等效电路模型。,31,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。,3.1.5 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,32,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。,
13、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:,33,例 1 已知 nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2,VGS(th)= 2 V,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 - ID (RD + RS) = 6 V,因此,验证得知:,VDS VGSVGS(th) ,,VGS VGS(th),,假设成立。,34,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
14、;,计算微变参数 gm、rds;,注:具体分析将在第 4 章中详细介绍。,35,3.2 结型场效应管,JFET 结构示意图及电路符号,36,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),3.2.1 JFET 管工作原理,37,VGS 对沟道宽度的影响,若 VDS = 0,38,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,VDS 对沟道的控制(假设 VGS 一定),此时 W 近似不变,即 Ron 不变
15、,39,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:,VDS ID 基本维持不变。,40,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。,41,NJFET
16、 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:,42,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。,43,截止区,特点:,沟道全夹断的工作区,条件:,VGS VGS(off),IG 0,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,44,JFE