最新场效应管工作原理与应用说课讲解

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MOSFET 工作原理：
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 。 • 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。
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伏安特性
由于 MOS 管栅极电 流为零，故不讨论输入特 性曲线。
V DS > VGS – VGS(th)
4V 3.5 V
特点：
O
VDS /V
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。
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。
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数学模型：
工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从 平方律关系式：
U
P+
N+
P
反型层
D
N+
VGS 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p 形成 N 型导电沟道
VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。
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• VDS 对沟道的控制(假设 VGS > VGS(th) 且保持不变)
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
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3.1 MOS 场效应管
MOSFET
增强型(EMOS) 耗尽型(DMOS)
N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS) N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS)
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。
共源组态特性曲线：
IG 0 VG+-S
ID
+
T VDS
-
输出特性： 转移特性：
ID = f ( VDS ) VGS = 常数 ID = f ( VGS ) VDS = 常数
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。
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➢ NEMOS 管输出特性曲线 非饱和区
沟道预夹断前对应的工作区。
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+ A
P
P+
N+
N+
A P
▪ 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)。
此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：
Ron
l
n C O XW
VGS
1
VGS (th)
注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。
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饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
条件： VGS > VGS(th)
4.5 V
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
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数学模型：
VDS 很小 MOS 管工作在非饱区时，ID 与 VDS 之间呈线性关系：
ID
nCOXW
2l
[2(VGS
VGS(th))VDS
VD2S ]
nCOXW
l
(VGS
VGS(th))VDS
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。
ID
nCOXW
2l
(VGS
VGS(th))2
若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
ID
nCOXW
2l
(VGS
VGS(th))2 1
VDS VA
nCOXW
2l
(VGS
VGS (th))2
1
VDS
其中， 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
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通常 = (0.005 ~ 0.03 )V-1
因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
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▪ 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 VGS一定
O VGS –VGS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
• VGS > 0 (形成导电沟道)
-VDS +
U
S -VGS + G
栅 衬之间相当
D
于以 SiO2 为介质 的平板电容器。
P+
N+
N+
P
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➢ N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
• 假设 VDS = 0，讨论 VGS 作用
VGS
衬底表面层中 负离子、电子
形成空间电荷区 并与 PN 结相通
VDS = 0 S -VGS + G
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
条件： 特点：
VGS > VGS(th) V DS < VGS – VGS(th)
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V
ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。O
VDS /V
当 VGS为常数时，VDSID 近似线性，表现为一种电阻特性；
当 VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。
N+
P+
N+
N+
P
P
由图
VGD = VGS - VDS
▪ VDS 很小时 → VGD VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。
因此
VDS→ID 线性 。
▪ 若 VDS →则 VGD → 近漏端沟道 → Ron增大。
此时
Ron →ID 变慢。
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▪ 当 VDS 增加到使 VGD = VGS(th) 时 → A 点出现预夹断
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3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图
衬底极 电路符号
源极
US
金属栅极
GD W
D
G S
P+
U
N+
N + P+
l
P
沟道长度
漏极 沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P 型硅 衬底
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N沟道 EMOS 管工作原理
➢ 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)。
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截止区
ID = 0 以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区
特点： IG 0，ID 0 相当于 MOS 管三个电极断开。
场效应管工作原理与应用
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。
场效应管分类：
MOS 场效应管 结型场效应管
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)。