电子线路(清华大学出版社,董尚斌主编)第1章.4场效应管

第一章半导体器件与模型1.5场效应管(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的特点(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。(2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。场效应管的分类(2)结型场效应管(JFET)(1)金属绝缘栅型半导体场效应管(MISFET)(3)金属半导体场效应管(MESFET)(4)异质场效应管(HeteroFET)FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）1.5.1MOS场效应管MOS场效应管由金属、二氧化硅绝缘层、半导体构成。N沟道增强型1.增强型MOS管管子组成：电路连接图（1）N沟道的形成及导电过程栅极悬空时，漏极和源极之间未形成导电沟道在D、S之间不形成电流。当栅极悬空或VGS=0V时PN结反偏，iD=0当栅极加有电压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，将漏极和源极沟通不能以形成漏极电流ID。进一步增加VGS（开启电压)栅极电压较强，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。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，且与P型半导体的载流子空穴极性相反衬底表面形成空间电荷区开始形成导电沟道的VGS反型层随着VGS的继续增加，反型层加宽，在漏源间形成载流子流通通道——沟道。连续的耗尽层将源区、漏区和沟道与衬底分隔开来。增强型MOS场效应管：靠增强栅源电压来形成导电沟道的MOS管。？VDS的变化对沟道的影响？且固定为某一值时且固定为某一值时根据此图有如下关系：VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。当VDS较小时→相对当VDS继续增加时→沟道的变化？VDS继续增加→横向电场↑→沟道中电子漂移速度↑→iD↑VDS对iD有调节作用漏端沟道被夹断,相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。当预夹断区域加长伸向S极。说明：（3）在漏端夹断前iD受VDS影响。（1）VGS对iD有控制作用；（4）iD由N+的多子电子的漂移运动形成——单极型特性。（2）VGS增加，使沟道中电子浓度增加，沟道电阻减小，iD增加，反之减小；FET电路组成形式共漏、共源、共栅共漏电路（2）输出特性曲线MOS场效应管的特性通常由输出特性来表示非饱和区（可变电阻区）沟道夹断前输出特性沟道电导：饱和区输出特性在放大电路中，场效应管应工作在饱和区，故饱和区又称为场效应管的放大区。饱和区，vDS对沟道长度有调节作用，使输出特性曲线略微上翘。——沟道调制因子截止区沟道没有形成击穿区vDS过大绝缘层在强电场作用下击穿，造成永久性损坏引起穿通击穿3）转移特性曲线vDS的增大使电流增大MOSN沟道增强型饱和工作区偏置条件4)衬底电位对场效应管的影响为了保证PN结反偏，对N沟道MOS场效应管，vBS必须是负压。——衬底与源极间的电压vBS负压的增大将使电流减小N沟道耗尽型MOS是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。2.耗尽型MOS场效应管沟道的形成？正离子已经在漏源之间感应出反型层，形成了沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。沟道的形成P沟道gdsbgdsbN沟道耗尽型MOS场效应管的电路符号漏极电流的产生——夹断电压N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：输出特性转移特性饱和漏电流由N沟道增强型MOS管特性得且有1.5.2结型场效应管1.结型场效应管的结构和工作原理N沟道P沟道(1)结构结型场效应管没有外加栅压就已形成导电沟道，也属于耗尽型。N沟道结型场效应管符号导电沟道是N型的P沟道场效应管导电沟道为P型符号(2)工作原理*耗尽层的宽度改变主要在沟道区3)在漏源极间加正向VDD，使vDS0在漏源间加负电源VGG，观察vDS变化时耗尽层和漏极iD2.结型场效应管的伏安特性曲线（1）输出特性曲线当栅源之间的电压vGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压vDS的关系，即（2）转移特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。在漏极特性上用作图法求转移特性饱和区场效应管的导电沟道各类场效应管的符号和特性曲线1.5.4场效应管的转移特性与电路模型1.转移特性JFET和耗尽型MOSFET的转移特性的方程式或2.场效应管的小信号等效电路描述场效应管特性的电量漏极电流由场效应管工作原理知：0Gi当场效应管工作在输出特性的夹断区并加入交流小信号时对iD全微分跨导漏极输出电阻在小信号条件下微变等效电路（受控电流源电路）微变等效电路（受控电压源电路）dsmrg放大因子：简化的微变等效电路FET的高频模型1.5.5场效应管的主要参数及FET与三极管的比较1.场效应管的主要参数直流参数1）饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。②夹断电压是耗尽型FET的参数，①开启电压是MOS增强型管的参数，时,场效应管不能导通。当VGS=VP时,漏极电流为零。3）直流输入电阻RGS对于绝缘栅型场效应三极管:RGS约是109～1015Ω。对于结型场效应三极管:反偏时RGS约大于107Ω交流参数1）低频跨导gm描述栅源之间的电压VGS对漏极电流iD的控制作用。单位：gm西门子(S)绝缘栅耗尽型场效应三极管结型场效应三极管:绝缘栅增强型场效应三极管DSSDPmthGSGSoxnmIiVgVvlWCg2()(DSSDPmthGSGSoxnmIiVgVvlWCg2()(由且满足可得2）极间电容极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。极限参数1）最大漏极耗散功率PDM漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。2）最大漏极电流IDM由场效应管允许的温升决定。3）漏源击穿电压V(BR)DS4）栅源击穿电压V(BR)GS当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的vDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若vGSV(BR)GS，PN结将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。双极型和场效应型三极管的比较基本概念2.场效应管的特性→输出特性曲线、转移特性曲线4.主要参数→输入电阻RGS、低频跨导gm、饱和漏极电流IDSS、开启电压、夹断电压3.电路模型→小信号模型1.MOS场效应管导电条件→增强型管、耗尽型管、VGS对iD的控制作用、VDS对iD的影响、衬底电位对场效应管的影响