模拟电子线路3.1MOS场效应管.ppt

3 1MOS场效应管 Metal OxideSemiconductorFieldEffectTransistor 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 Drain 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 VDS 0 0 VGS VGS th 当栅极加有电压时 若0 VGS VGS 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VGS VGS 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VDS ID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 VDS ID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 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 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 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 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 D1D2一方面限制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 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 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 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 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 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rb e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 5MOS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 VGS VGS th 若 VDS VGS VGS 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 VGS VGS 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