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概述 場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)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(yīng)管與三極管主要區(qū)別 場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻 場效應(yīng)管是單極型器件 三極管是雙極型器件 場效應(yīng)管分類 3 1MOS場效應(yīng)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(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反 增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管 N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖 N溝道EMOS管外部工作條件 vDS 0 形成漏極流向源極的電流 B接電路最低電位或與S極相連 保證源 漏與襯PN結(jié)反偏 vGS 0 形成導(dǎo)電溝道 N溝道EMOS管工作原理 N溝道EMOSFET溝道形成原理 假設(shè)vDS 0 討論vGS作用 vGS越大 反型層中n越多 導(dǎo)電能力越強(qiáng) 單位面積柵電容 溝道中導(dǎo)電載流子濃度 vDS對溝道的控制 假設(shè)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vDS iD線性 若vDS 則vGD 近漏端溝道W Ron增大 此時Ron iD 變慢 當(dāng)vDS增加到使vGD VGS th 時 A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若vDS繼續(xù) A點(diǎn)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(yīng) 則近似認(rèn)為l不變 即Ron不變 因此預(yù)夾斷后 vDS iD基本維持不變 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 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(guān)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(dǎo)電 故稱單極型器件 三極管中多子 少子同時參與導(dǎo)電 故稱雙極型器件 利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng) 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 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(yīng)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(diǎn) iD同時受vGS與vDS的控制 當(dāng)vGS為常數(shù)時 vDS iD近似線性 表現(xiàn)為一種電阻特性 當(dāng)vDS為常數(shù)時 vGS iD 表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性 溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū) 因此 非飽和區(qū)又稱為變阻區(qū) 數(shù)學(xué)模型 vDS很小MOS管工作在非飽和區(qū)時 iD與vDS之間呈線性關(guān)系 其中 W l為溝道的寬度和長度 注意 非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū) 飽和區(qū) 特點(diǎn) iD只受vGS控制 而與vDS近似無關(guān) 表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用 溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū) 考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng) 輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹 注意 飽和區(qū) 放大區(qū) 對應(yīng)三極管的放大區(qū) 數(shù)學(xué)模型 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 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(guān)系式 其中 稱溝道長度調(diào)制系數(shù) 其值與l有關(guān) iD隨溫度升高而下降的負(fù)溫度特性 與三極管相反 有利于提高管子的熱穩(wěn)定性 截止區(qū) 特點(diǎn) 相當(dāng)于MOS管三個電極斷開 溝道未形成時的工作區(qū) 條件 vGS VGS th iD 0以下的工作區(qū)域 iG 0 iD 0 擊穿區(qū) vDS增大到一定值時 漏襯PN結(jié)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(dāng)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(hù)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限制vGS間最大電壓 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線 VGS th 3V vDS 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映vDS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(yīng)的vGS值 即開啟電壓VGS th 襯底效應(yīng) 集成電路中 許多MOS管做在同一襯底上 為保證B與S D之間PN結(jié)反偏 襯底應(yīng)接電路最低電位 N溝道 或最高電位 P溝道 若 vBS 耗盡層中負(fù)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B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 電流iD流向相反 不同之處 電路符號中的箭頭方向相反 耗盡型MOS場效應(yīng)管 DMOS管結(jié)構(gòu) NDMOS管伏安特性 vDS 0 vGS正 負(fù) 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(dá)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 MOSFET大信號電路模型 場效應(yīng)管G S之間開路 IG 0 三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)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 三極管輸出端等效為流控電流源 滿足IC IB 飽和區(qū) 三極管 MOS小信號電路模型 MOS管飽和區(qū)小信號電路模型 rds為場效應(yīng)管輸出電阻 由于場效應(yīng)管iG 0 所以輸入電阻rgs 而三極管發(fā)射結(jié)正偏 故輸入電阻rb e較小 與三極管輸出電阻表達(dá)式rce 1 ICQ 相似 溝道長度調(diào)制系數(shù) 1 VA 三極管 飽和區(qū) MOS管跨導(dǎo) 通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)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(yīng)的電路模型 襯底與源極不相連 考慮到襯底電壓vBS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gmbvbs gmb稱背柵跨導(dǎo) 工程上 為常數(shù) 一般 0 1 0 2 MOS管高頻小信號電路模型 當(dāng)高頻應(yīng)用 需考慮管子極間電容影響 應(yīng)采用如下高頻等效電路模型 MOS管非飽和區(qū)等效模型 工作于非飽和區(qū)的MOSFET的低頻小信號模型等效為一個線性電阻 MOSFET高頻性能 四種MOS場效應(yīng)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(xué)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(qiáng)型MOS管 vGS與vDS極性相同 耗盡型MOS管 vGS取值任意 飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān) 臨界飽和工作條件 非飽和區(qū) 變阻區(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) 變阻區(qū) 數(shù)學(xué)模型 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(diǎn) 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(guān)系式 c 聯(lián)立解上述方程 選出合理的一組解 d 判斷電路工作模式 若 VDS VGS VGS th 若 VDS VGS VGS th b 利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型 MOS電路分析方法 例已知 nCOXW 2l 0 25mA V2 VGS th 2V 求ID 解 假設(shè)T工作在放大模式 代入已知條件解上述方程組得 VDS VDD ID RD RS 6V 因此 驗(yàn)證得知 VDS VGS VGS th VGS VGS th 假設(shè)成立 小信號等效電路法 場效應(yīng)管小信號等效電路分析法與三極管相似 分析交流指標(biāo) 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 注 具體分析將在第4章中詳細(xì)介紹 3 2結(jié)型場效應(yīng)管 JFET結(jié)構(gòu)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(jié)反偏 vGS 0 保證柵源PN結(jié)反偏 實(shí)際小于VD on 即可 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vDS iD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(shè)vGS一定 此時W近似不變 即Ron不變 當(dāng)vDS增加到使vGD VGS off 時 A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若vDS繼續(xù) A點(diǎn)下移 出現(xiàn)夾斷區(qū) 此時vAS vAG vGS VGS off vGS 恒定 若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則近似認(rèn)為l不變 即Ron不變 因此預(yù)夾斷后 vDS iD基本維持不變 利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng) 通過柵源電壓vGS的變化 改變阻擋層的寬窄 從而改變導(dǎo)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(yīng)控制電流 不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng) 則iD略有增大 NJFET輸出特性 非飽和區(qū) 特點(diǎn) iD同時受vGS與vDS的控制 伏安特性曲線 線性電阻 IDSS是vGS 0 vDS VGS off 時的漏極電流 飽和區(qū) 放大區(qū) 特點(diǎn) iD只受vGS控制 而與vDS近似無關(guān) 數(shù)學(xué)模型 在飽和區(qū) JFET的iD與vGS之間也滿足平方律關(guān)系 但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同 故方程不同 截止區(qū) 特點(diǎn) 溝道全夾斷的工作區(qū) 條件 vGS VGS off iG 0 iD 0 擊穿區(qū) vDS增大到一定值時 近漏極PN結(jié)雪崩擊穿 造成iD劇增 vGS越負(fù) 則vGD越負(fù) 相應(yīng)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 iD 0時對應(yīng)的vGS值 夾斷電壓VGS off vGS 0時對應(yīng)的iD值 飽和漏電流IDSS JFET電路模型與MOS管相同 只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型不同 因此跨導(dǎo)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(dú)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(yīng)管與三極管性能比較 在相同功耗的情況下 雙極性器件可以獲得更優(yōu)越的頻率特性 N溝道EMOS管GD相連 構(gòu)成有源電阻 有源電阻 3 4場效應(yīng)管應(yīng)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(gòu)成有源電阻 因此 當(dāng)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(dāng)vGS 0時 電路近似恒流輸出 有源電阻 構(gòu)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