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1、3.2 結型場效應管,3.3 場效管應用原理,3.1 MOS場效應管,第三章 場效應管,概 述,場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。,場效應管與三極管主要區(qū)別：,場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。,場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。,場效應管分類：,3.1 MOS場效應管,N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反。,3.1.1 增強型MOS場效應管,N溝道EMOSFET結構示意圖,N溝道EMOS管外部工作條件,VD

2、S 0 (保證柵漏PN結反偏)。,U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結反偏)。,VGS 0 (形成導電溝道),,N溝道EMOS管工作原理,N溝道EMOSFET溝道形成原理,假設VDS =0，討論VGS作用,VGS越大，反型層中n 越多，導電能力越強。,VDS對溝道的控制（假設VGS VGS(th) 且保持不變）,VDS很小時 VGD VGS 。此時W近似不變，即Ron不變。,由圖 VGD = VGS - VDS,因此 VDSID線性 。,若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大。,此時 Ron ID 變慢。,當VDS增加到使VGD =VGS(th)時 A點出現(xiàn)預夾斷,若VDS

3、繼續(xù)A點左移出現(xiàn)夾斷區(qū),此時 VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）,若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為l 不變（即Ron不變）。,因此預夾斷后：,VDS ID 基本維持不變。,若考慮溝道長度調(diào)制效應,則VDS 溝道長度l 溝道電阻Ron略。,因此 VDS ID略。,由上述分析可描繪出ID隨VDS 變化的關系曲線：,曲線形狀類似三極管輸出特性。,MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱單極型器件。,三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。,利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID

4、。,MOSFET工作原理：,由于MOS管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。,共源組態(tài)特性曲線：,伏安特性,轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。,NEMOS管輸出特性曲線,非飽和區(qū),特點：,ID同時受VGS與VDS的控制。,當VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；,,當VDS為常數(shù)時，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。,溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。,因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。,數(shù)學模型：,此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：,VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關系：,,其中：W、l 為溝道的寬度和長度

5、。,COX （= / OX）為單位面積的柵極電容量。,注意：非飽和區(qū)相當于三極管的飽和區(qū)。,飽和區(qū),特點：,ID只受VGS控制，而與VDS近似無關，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。,溝道預夾斷后對應的工作區(qū)。,考慮到溝道長度調(diào)制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。,注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。,數(shù)學模型：,若考慮溝道長度調(diào)制效應，則ID的修正方程：,工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：,其中： 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l 有關。,通常 =( 0.005 0.03 )V-1,,截止區(qū),特點：,相當于MOS管三個電極斷開。,溝道未形成時的工作區(qū),條件

6、：,VGS < VGS(th),ID=0以下的工作區(qū)域。,IG0，ID0,擊穿區(qū),VDS增大到一定值時漏襯PN結雪崩擊穿 ID劇增。,VDS溝道 l 對于l 較小的MOS管穿通擊穿。,由于MOS管COX很小，因此當帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q /COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。,MOS管保護措施：,分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。,MOS集成電路：,D1 D2一方面限制VGS間最大電壓，同時對感 生電荷起旁路作用。,NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線,VGS(th) = 3V,VDS = 5V,,轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS

7、為常數(shù)時，VGS對ID的控制作用,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。,,,,,,,,,,,,,,VDS = 5V,轉(zhuǎn)移特性曲線中,ID =0 時對應的VGS值,即開啟電壓VGS（th） 。,襯底效應,集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證U與S、D之間PN結反偏，襯底應接電路最低電位（N溝道）或最高電位（P溝道）。,若| VUS | ,耗盡層中負離子數(shù),因VGS不變（G極正電荷量不變）,ID ,根據(jù)襯底電壓對ID的控制作用，又稱U極為背柵極。,阻擋層寬度 ,表面層中電子數(shù) ,P溝道EMOS管,N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。,即 VDS < 0 、VGS < 0,外加電壓極性相反

8、、電流ID流向相反。,不同之處：,電路符號中的箭頭方向相反。,3.1.2 耗盡型MOS場效應管,DMOS管結構,NDMOS管伏安特性,VDS 0，VGS 正、負、零均可。,外部工作條件：,DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管相同。,PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。,3.1.3 四種MOS場效應管比較,電路符號及電流流向,轉(zhuǎn)移特性,飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型,VDS極性取決于溝道類型,N溝道：VDS 0， P溝道：VDS < 0,VGS極性取決于工作方式及溝道類型,增強型MOS管： VGS 與VDS 極性相同。,耗盡型MOS管： VGS 取值

9、任意。,飽和區(qū)數(shù)學模型與管子類型無關,,臨界飽和工作條件,非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）工作條件,|VDS | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ，,飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件,|VDS | < | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模型,FET直流簡化電路模型(與三極管相對照),場效應管G、S之間開路 ，IG0。,三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效為VBE(on) 。,FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：,三極管輸出端等效

10、為流控電流源，滿足IC= IB 。,3.1.4 小信號電路模型,MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照),rds為場效應管輸出電阻：,由于場效應管IG0，所以輸入電阻rgs 。,而三極管發(fā)射結正偏，故輸入電阻rbe較小。,與三極管輸出電阻表達式 相似。,MOS管跨導,利用,得,三極管跨導,通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數(shù)量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。,計及襯底效應的MOS管簡化電路模型,考慮到襯底電壓vus對漏極電流id的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。,gmu稱背柵跨導，工程上, 為常數(shù)，一般 = 0.1 0.2,MOS管高頻小信

11、號電路模型,當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用如下高頻等效電路模型。,場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。,3.1.5 MOS管電路分析方法,場效應管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應管電路時，一定要注意自身特點。,估算法,MOS管截止模式判斷方法,假定MOS管工作在放大模式：,,放大模式,,非飽和模式（需重新計算Q點）,非飽和與飽和（放大）模式判斷方法,a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關系式。,c)聯(lián)立解上述方程，選

12、出合理的一組解。,d)判斷電路工作模式：,若|VDS| |VGSVGS(th)|,若|VDS| < |VGSVGS(th)|,b)利用飽和區(qū)數(shù)學模型：,例1 已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)= 2V, 求ID,解：,假設T工作在放大模式,帶入已知條件解上述方程組得：,,VDS= VDD-ID （RD + RS）= 6V,因此,驗證得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假設成立。,小信號等效電路法,場效應管小信號等效電路分法與三極管相似。,利用微變等效電路分析交流指標。,畫交流通路,將FET用小信號電路模型代替,計算微變參數(shù)gm、rds,

13、注：具體分析將在第四章中詳細介紹。,3.2 結型場效應管,JFET結構示意圖及電路符號,N溝道JFET管外部工作條件,VDS 0 (保證柵漏PN結反偏),VGS < 0 (保證柵源PN結反偏),3.2.1 JFET管工作原理,VGS對溝道寬度的影響,若VDS=0,VDS很小時 VGD VGS,由圖 VGD = VGS - VDS,因此 VDSID線性 ,若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大。,此時 Ron ID 變慢,VDS對溝道的控制（假設VGS 一定）,此時W近似不變,即Ron不變,當VDS增加到使VGD =VGS(off)時 A點出現(xiàn)預夾斷,若VDS 繼續(xù)A點下移出現(xiàn)夾斷區(qū),此

14、時 VAS =VAG +VGS =-VGS(off) +VGS （恒定）,若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為l 不變（即Ron不變）。,因此預夾斷后：,VDS ID 基本維持不變。,利用半導體內(nèi)的電場效應，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。,JFET工作原理：,綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。,NJFET輸出特性,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū)),特點：,ID同時受VGS與VDS的控制。,3.2.2 伏安特性曲線,線性電阻:,飽和區(qū)(放大區(qū)),特點：,ID只受VGS控

15、制，而與VDS近似無關。,數(shù)學模型：,在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關系，但由于JFET與MOS管結構不同，故方程不同。,截止區(qū),特點：,溝道全夾斷的工作區(qū),條件：,VGS < VGS(off),IG0，ID=0,擊穿區(qū),VDS 增大到一定值時 近漏極PN結雪崩擊穿, 造成 ID劇增。,VGS 越負 則VGD 越負 相應擊穿電壓V(BR)DS越小,JFET轉(zhuǎn)移特性曲線,同MOS管一樣，JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到(略)。,ID =0 時對應的VGS值 夾斷電壓VGS（off） 。,VGS=0 時對應的ID 值 飽和漏電流IDSS。,JFET電路模型同MOS管相同。

16、只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學模型不同，因此，跨導計算公式不同。,JFET電路模型,利用,得,各類FET管VDS、VGS極性比較,VDS極性與ID流向僅取決于溝道類型,VGS極性取決于工作方式及溝道類型,由于FET類型較多，單獨記憶較困難，現(xiàn)將各類FET管VDS、VGS極性及ID流向歸納如下：,N溝道FET：VDS 0，ID流入管子漏極。,P溝道FET：VDS < 0，ID自管子漏極流出。,JFET管： VGS與VDS極性相反。,場效應管與三極管性能比較,N溝道EMOS管GD相連構成有源電阻,3.3.1 有源電阻,3.3 場效應管應用原理,N溝道EMOS管工作在飽和區(qū)。,伏安特性：,N溝道DMOS管GS相連構成有源電阻,因此，當 vDS 0 vGS(th)時，管子工作在飽和區(qū)。,伏安特性即vGS = 0 時的輸出特性。,當vGS =0 時，電路近似恒流輸出。,有源電阻構成分壓器,若兩管n 、 COX 、VGS(th)相同，則,聯(lián)立求解得：,調(diào)整溝道寬長比（W/l），可得所需的分壓值。,