场效应管工作原理与应用

13.2结型场效应管3.3场效管应用原理3.1MOS场效应管第3章场效应管2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33.1MOS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。4N+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5N沟道EMOS管外部工作条件•VDS0(保证漏衬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。6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7•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-+8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。9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：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。10•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：11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。12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/VOVDS=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。13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14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/VOVDS=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。15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-116截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=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。17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。18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/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。19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20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。ID213.1.2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22NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V1.5V1V0.5V0V0.5V1.8VID/mAVGS/VOVGS(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。233.1.3四种MOS场效应管比较电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)24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25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26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+-273.1.4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。与三极管输出电阻表达式rce1/(ICQ)相似。)/(1DQdsIrrbercebceibic+--+vbevcegmvbe28MOS管跨导QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用DQOXQGSDm22IlWCvig得CQeQEBCm5.38Irvig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。29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。30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31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32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33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代入已知条件解上述方程组得：I