MOS场效应管教程

3.2结型场效应管3.3场效管应用原理3.1MOS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3.1MOS场效应管P沟道（PMOS）N沟道（NMOS）P沟道（PMOS）N沟道（NMOS）MOSFET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+PUSGD3.1.1增强型MOS场效应管N沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD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•VDS0(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)。•VGS0(形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGSN沟道EMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。N沟道EMOSFET沟道形成原理•假设VDS=0，讨论VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层npVGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。反型层•VDS对沟道的控制（假设VGSVGS(th)且保持不变）VDS很小时→VGDVGS。此时W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。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+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：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→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：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS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：ID=f(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数输出特性：伏安特性+TVDSIG0VGSID+--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；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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。条件：VGSVGS(th)VDSVGS–VGS(th)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：])(2[22DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCIGS(th)GSOXnon1VVWClR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。DSGS(th)GSOXn)(VVVlWC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。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGSVGS(th)VDSVGS–VGS(th)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：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC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。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGSVGS(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：TD2D1D1D2一方面限制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)=3VVDS=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。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345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|-+VUS耗尽层中负离子数因VGS不变（G极正电荷量不变）IDVUS=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度表面层中电子数P沟道EMOS管+-VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即VDS0、VGS0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。ID3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOSDMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS0，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SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)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：VDS0，P沟道：VDS0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2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI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DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI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。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-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)gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-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。)/(1CQceIr与三极管输出电阻表达式相似。)/(1DQdsIrrbercebceibic+--+vbevcegmvbeMOS管跨导QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用DQOXQGSDm22IlWCvig得三极管跨导CQeQEBC5.38Irvigm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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上mQusDmugvig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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs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。3.1.5MOS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）N沟道管：VGSVGS(th)P沟道管：VGSVGS(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：2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI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VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGIDSDG2G1DDG2SGGSRIRRVRVVV2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI带入已知条件解上述方程组得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V（舍去）VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V因此验证得知：