MOS场效应管教程课件

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.2,结型场效应管,3.3,场效管应用原理,3.1,MOS,场效应管,第三章 场效应管,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：,MOS,场效应管,结型场效应管,3.1,MOS,场效应管,P,沟道（,PMOS）,N,沟道（,NMOS）,P,沟道（,PMOS）,N,沟道（,NMOS）,MOS,FET,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,。,N,+,N,+,P,+,P,+,P,U,S,G,D,3.1.1 增强型,MOS场效应管,N,沟道,EMOSFET,结构示意图,源极,漏极,衬底极,SiO,2,绝缘层,金属栅极,P型硅,衬底,S,G,U,D,电路符号,l,沟道长度,W,沟道宽度,N,沟道,EMOS,管,外部工作条件,V,DS, 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)。,V,GS, 0,(,形成导电沟道),P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,- +,- +,V,GS,N,沟道,EMOS,管,工作原理,栅,衬之间,相当于以SiO,2,为介质的平板电容器。,N,沟道,EMOSFET,沟道形成原理,假设,V,DS,=0，,讨论,V,GS,作用,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,=0,- +,V,GS,形成空间电荷区,并与PN结相通,V,GS,衬底表面层中,负离子,、电子,V,GS, 开启电压,V,GS(th),形成N型导电沟道,表面层,n,p,V,GS,越大，反型层中,n,越多，导电能力越强。,反型层,V,DS,对沟道的控制,（假设,V,GS,V,GS(,th,),且保持不变）,V,DS,很,小时,V,GD,V,GS,。,此时,W,近似不变,，,即,R,on,不变,。,由图,V,GD,= V,GS,-,V,DS,因此,V,DS,I,D,线性,。,若,V,DS,则,V,GD,近漏端沟道,R,on,增大,。,此时,R,on,I,D,变慢。,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,- +,V,GS,- +,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,- +,V,GS,- +,当,V,DS,增加到,使,V,GD,=,V,GS(,th,),时,A,点出现预夹断,若,V,DS,继续,A,点左移,出现夹断区,此时,V,AS,=,V,AG,+,V,GS,=,-,V,GS(th),+,V,GS,（恒定）,若忽略沟道长度调制效应，则近似认为,l,不变（即,R,on,不变）。,因此预夹断后：,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,- +,V,GS,- +,A,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,- +,V,GS,- +,A,V,DS,I,D,基本维持不变。,若考虑沟道长度调制效应,则,V,DS,沟道长度,l,沟道电阻,R,on,略,。,因此,V,DS,I,D,略,。,由上述分析可描绘出,I,D,随,V,DS,变化,的关系曲线：,I,D,V,DS,0,V,GS,V,GS(th),V,GS,一定,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,V,GS,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,I,D,。,MOSFET工作原理：,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：,I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=,常数,转移特性：,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=,常数,输出特性：,伏安特性,+,T,V,DS,I,G,0,V,GS,I,D,+,-,-,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：,I,D,同时受,V,GS,与,V,DS,的控制。,当,V,GS,为常数时，,V,DS,I,D,近似线性,，表现为一种电阻特性；,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,= V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,当,V,DS,为常数时，,V,GS,I,D,，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,条件：,V,GS,V,GS(th),V,DS,V,GS(th),V,DS,V,GS,V,GS(th),考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随,V,DS,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。,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则,I,D,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。,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,= V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,沟道未形成时的工作区,条件：,V,GS,V,GS(th),I,D,=0,以下的工作区域。,I,G,0，,I,D,0,击穿区,V,DS,增大,到一定值时,漏衬,PN,结,雪崩击穿,I,D,剧增。,V,DS,沟道,l, ,对于,l,较小的,MOS,管,穿通击穿。,由于,MOS,管,C,OX,很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在,SiO,2,绝缘层中将产生很大的电压,V,GS,(=Q /,C,OX,)，,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：,T,D,2,D,1,D,1,D,2,一方面限制,V,GS,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,V,GS(th),=,3V,V,DS,=,5V,转移特性曲线反映,V,DS,为常数时，,V,GS,对,I,D,的控制作用,可由输出特性转换得到。,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,= V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,V,DS,=,5V,I,D,/,m,A,V,GS,/V,0,1,2,3,4,5,转移特性曲线中,I,D,=,0,时对应的,V,GS,值,即开启电压,V,GS（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|,V,US,| ,-,+,V,US,耗尽层中负离子数,因,V,GS,不变（G极正电荷量不变）,I,D,V,US,=,0,I,D,/,m,A,V,GS,/V,O,-,2V,-,4V,根据衬底电压对,I,D,的控制作用，又,称U极为,背栅极。,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,V,GS,-,+,-,+,阻挡层宽度,表面层中,电子,数,P,沟道,EMOS,管,+ -,V,GS,V,DS,+ -,S,G,U,D,N,N,+,P,+,S,G,D,U,P,+,N沟道,EMOS,管与,P,沟道,EMOS,管,工作原理相似。,即,V,DS, 0 、,V,GS, 0，,V,GS,正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS管在饱和区与非饱和区的,I,D,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,S,G,U,D,I,D,S,G,U,D,I,D,U,S,G,D,I,D,S,G,U,D,I,D,N,E,MOS,N,D,MOS,P,D,MOS,P,E,MOS,转移特性,I,D,V,GS,0,V,GS(th),I,D,V,GS,0,V,GS(th),I,D,V,GS,0,V,GS(th),I,D,V,GS,0,V,GS(th),饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型,V,DS,极性取决于沟道类型,N,沟道：,V,DS, 0， P,沟道,：,V,DS,|V,GS(th),|,，,|V,DS,|,| V,GS,V,GS(th),|,|V,GS,|,|V,GS(th),|,，,饱和区（放大区）工作条件,|V,DS,|,|V,GS(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 ，,I,G,0。,三极管发射结由于正偏而导通，等效,为,V,BE(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,I,C,=,I,B,。,S,G,D,I,D,V,GS,S,D,G,I,D,I,G,0,I,D,(,V,GS,),+,-,V,BE(on),E,C,B,I,C,I,B,I,B,+,-,3.1.4 小信号电路模型,MOS,管简化小信号电路模型(与三极管对照,),g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,c,v,gs,-,v,ds,+,+,-,r,ds,为,场效应管,输出电阻：,由于场效应管,I,G,0，,所以输入电阻,r,gs,。,而三极管发射结正偏，,故输入电阻,r,b,e,较小。,与三极管,输出电阻表达式,相似。,r,b,e,r,ce,b,c,e,i,b,i,c,+,-,-,+,v,be,v,ce,g,m,v,b,e,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,v,us,对漏极电流,i,d,的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源,g,mu,v,us,。,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,d,v,gs,-,v,ds,+,+,-,g,mu,v,us,g,mu,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。,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,d,v,gs,-,v,ds,+,+,-,C,d,s,C,gd,C,gs,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,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,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,：,V,GS,V,GS(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,V,GS,与,I,D,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,|,V,DS,| |,V,GS,V,GS(th),|,若,|,V,DS,| ,V,GS,V,GS(th),，,V,GS,V,GS(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,g,m,、,r,ds,注：具体分析将在第四章中详细介绍。,3.2 结型场效应管,JFET,结构示意图及电路符号,S,G,D,S,G,D,P,+,P,+,N,G,S,D,N,沟道,JFET,P,沟道,JFET,N,+,N,+,P,G,S,D,N,沟道,JFET,管,外部工作条件,V,DS, 0,(保证栅漏,PN,结反偏),V,GS,V,GS(off),V,DS,V,GS(off),V,DS,V,GS,V,GS(off),在饱和区，JFET的,I,D,与,V,GS,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。,截止区,特点：,沟道全夹断的工作区,条件：,V,GS, 0，,I,D,流入管子漏极。,P,沟道,FET,：,V,DS,v,GS,v,GS(th),因此,当,v,GS,v,GS(th),时,N,沟道,EMOS管,工作在饱和区。,伏安特性：,i,D,v,GS,V,Q,I,Q,Q,直流电阻：,（小）,交流电阻：,（大）,T,v,i,+,-,+,-,v,R,i,N,沟道,DMOS,管,GS,相连,构成有源电阻,v = v,DS,，,v,GS,=,0,，,i = i,D,由图,因此，当,v,DS,0,v,GS(th),时，管子工作在饱和区。,伏安特性即,v,GS,=,0,时的输出特性。,由,得知,当,v,GS,=,0,时，电路近似恒流输出。,i,D,v,DS,V,Q,I,Q,Q,-,V,GS(th),v,GS,=,0,T,v,i,+,-,+,-,v,R,i,有源电阻,构成分压器,若两管,n,、,C,OX,、,V,GS(th),相同，则,联立求解得：,T,1,V,1,I,1,+,-,I,2,V,2,+,-,V,DD,T,2,由图,I,1,= I,2,V,1,+,V,2,=,V,DD,V,1,+,V,2,=,V,DD,调整沟道宽长比（W/,l,），可得所需的分压值。,