场效应管工作原理与应用

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：VGS < VGS(th) P 沟道管：VGS > VGS(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
+ -
VGS
VDS
+ -
S
G
U
D
N
N
+
P
+
S
G
D
U
P
+
N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似
即 VDS < 0 、VGS < 0
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
ID
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
S
G
U
D
ID
S
G
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：
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
VGS
- +
A
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
VGS
- +
A
VDS →ID 基本维持不变
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
3.1 MOS 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
三极管输出端等效为流控电流源满足 IC = IB
S
G
D
ID
VGS
S
D
G
ID
IG0
ID(VGS )
+ -
VBE(on)
E
C
B
IC
IB
IB
+ -
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
gmvgs
rds
g
d
s
ic
vgs
-
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
VDS 很小 MOS 管工作在非饱区时ID 与 VDS 之间呈线性关系：
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
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/mA
VDS /V
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
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：
ID
VDS
O
VGS –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
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS = 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 n>>p
VGS 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 VGS > VGSth 且保持不变
VGS > 0 形成导电沟道
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
- +
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
适用于讲座演讲授课培训等场景
场效应管工作原理与应用
3.2 结型场效应管
3.3 场效管应用原理
3.1 MOS 场效应管
第 3 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：
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：
T
D2
D1
D1 D2 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
VGSth = 3V
VDS = 5 V
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
O
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
沟道预夹断后对应的工作区
条件：
VGS > VGS(th)
V DS > VGS – 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：
|VGS| > |VGSth |
饱和区放大区工作条件
|VDS | < | VGS – VGSth |
|VGS| > |VGSth |
非饱和区可变电阻区数学模型
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 VBEon
FET 输出端等效为压控电流源满足平方律方程：
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 = 0
ID/mA
VGS /V
O
-2V
-4V
根据衬底电压对 ID 的控制作用又称 U 极为背栅极
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
VGS
- +
- +
阻挡层宽度
表面层中电子数
P 沟道 EMOS 管
O
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
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：
VGS > VGS(th)
V DS < VGS – 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：
-1. 8 V
ID/mA
VGS /V
O
VGS(th)
VDS > 0VGS 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
S
G
U
D
ID
gmvgs
rds
g
d
s
id
vgs
-
vds
+
+
-
gmuvus
gmu 称背栅跨导，工程上
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
gmvgs
rds
g
d
s
id
vgs
-
vds
+
+
-
Cds
Cgd
Cgs
栅源极间平板电容
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
沟道未形成时的工作区
条件：
VGS < VGSth
ID = 0 以下的工作区域
IG 0ID 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
S
G
U
D
ID
U
S
G
D
ID
S
G
U
D
ID
NEMOS
NDMOS
PDMOS
PEMOS
转移特性
ID
VGS
O
VGS(th)
ID
VGS
O
VGS(th)
ID
VGS
O
VGS(th)
ID
VGS
O
VGS(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：VDS > 0 P 沟道：VDS < 0
U
D
ID
P
P
+
N
+
S
G
D
U
N
+
N 沟道DMOS
N
N
+
P
+
S
G
D
U
P
+
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/mA
VDS /V
O
VDS = VGS –VGS(th)
VGS = 1 V
-1. 5 V
- 1 V
-0. 5 V
0 V
0. 5 V
ID/mA
VDS /V
O
VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
VDS = 5 V
ID/mA
VGS /V
O
1
2
3
4
5
转移特性曲线中ID = 0 时对应的 VGS 值即开启电压 VGSth
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
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
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
Байду номын сангаас
N
+
N
+
P
+
P
+
P
U
S
G
D
3.1.1 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
S
G
U
D
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
VDS > 0 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
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：
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/mA
VDS /V
O
VDS = VGS – VGS(th)
而三极管发射结正偏故输入电阻 rbe 较小
与三极管输出电阻表达式 rce 1/ICQ 相似
rbe
rce
b
c
e
ib
ic
+
-
-
+
vbe
vce
gmvbe
MOS 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
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
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
临界饱和工作条件
非饱和区可变电阻区工作条件
|VDS | = | VGS – VGSth |
|VGS| > |VGSth |
|VDS | > | VGS – VGSth |
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
3.1.5 MOS 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
VGS
- +
P
P
+
N
+
N
+
S
G
D
U
VDS
- +
VGS
- +
当 VDS 增加到使 VGD = VGSth 时 → A 点出现预夹断
若 VDS 继续 →A 点左移 → 出现夹断区