场效应管

第3章
概 3.1 3.2 3.3 述
场效应管
MOS 场效应管 结型场效应管 场效管应用原理
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：
通常 = (0.005 ~ 0.03 )V-1
ID
n COXW
VDS (VGS VGS(th) ) 1 VA
2

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场效应管
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
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
工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从 平方律关系式： nCOXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
2l nCOXW (VGS VGS(th) ) 2 1 VDS 2l 其中， 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
ID
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
第3章
场效应管
临界饱和工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS – VGS(th) |
饱和区(放大区)工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | > | VGS – VGS(th) |
l Ron n C OXW 1 VGS VGS(th)
注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。
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场效应管
ID/mA VDS = VGS – VGS(th)
VGS = 5 V 4.5 V 4V 3.5 V
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。 条件： 特点：
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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场效应管 ID
伏安特性
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： 输出特性： 转移特性： ID = f ( VDS )
3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管
DMOS 管结构
S U P+ N+ P G N+ D
D
ID
U
N 沟道 DMOS
G
S
VGS = 0 时，导电沟道已存在 对比增强型？
S U N+ P+ N G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
P 沟道 DMOS
G
S
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场效应管
NDMOS 管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS = 1 V
0. 5 V 0V
ID/mA
0. 5 V
1V 1. 5 V
O
1. 8 V
VDS /V
VGS(th)
O
VGS /V
外部工作条件：
VDS > 0，VGS 正、负、零均可。
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。
非饱和区(可变电阻区)工作条件
|VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS – VGS(th) |
非饱和区(可变电阻区)数学模型
ID
nC OXW
l
(VGS VGS(th) )VDS
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FET 直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
D G G
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• VDS 对沟道的控制(假设 VGS > VGS(th) 且保持不变)
VDS +
U P+ S N+ P
VDS +
D
U N+ P+ S N+ P
VGS +
G
VGS +
G
N+
D
由图 因此
VGD = VGS - VDS VDS→ID 线性 。
VDS 很小时 → VGD VGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。
IG 0
+ VGS -
+
T
VDS
-
VGS = 常数 VDS = 常数
ID = f ( VGS )
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。 条件： 特点：
ID/mA VDS = VGS – VGS(th) VGS = 5 V 4.5 V
VGS > VGS(th)
V DS > VGS – VGS(th)
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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场效应管
数学模型：
第3章
场效应管
3.1.3 四种 MOS 场效应管比较
电路符号及电流流向
D D
ID
G U S NEMOS G
ID
U G
D
D
ID
U S PEMOS G
ID
U S PDMOS
S NDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
O VGS(th)
VGS
VGS(th) O
VGS
VGS(th) O V GS
OVGS(th VGS
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V
O
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
O
VDS = 5 V
VDS /V
转移特性曲线中，ID = 0 时对应的 VGS 值，即开启 电压 VGS(th) 。
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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 VDS ID/mA 电位(P 沟道)。 + VUS = 0
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3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图
S(Source) 源极
衬底极
U S G D W
G(Gate) 金属栅极
D(Drain) 漏极
电路符号 D
P+ N+ N+ P+
沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P 型硅 衬底
G S
U
l
P
沟道长度
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场效应管
N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
IG0
ID
D B
IB +
VBE(on)
IC
C
+ VGS
S
ID(VGS )
E
IB
S
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： C OXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 三极管输出端等效为流控电流源，满足 IC = IB 。
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场效应管
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 V –V GS GS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
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场效应管
MOSFET 工作原理：
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场效应管
数学模型：
VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时，ID 与 VDS 之间呈线 性关系： C W 2 I D n OX [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ] 2l nCOXW (VGS VGS(th) )VDS l 其中，W、l 为沟道的宽度和长度。 COX (= / OX , SiO2 层介电常数与厚度有关)为单位面积的 栅极电容量。 此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：
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场效应管
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)
id g + vgs s gmvgs + d rds vds ib b + vbe rbe ic + rce vce c
-
-
gmvbe e
-
由于场效应管 IG 0，所以输入电阻 rgs Baidu Nhomakorabea。
而三极管发射结正偏，故输入电阻 rbe 较小。
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场效应管
当 VDS 增加到使 VGD = VGS(th) 时 → A 点出现预夹断 VDS VDS + + VGS VGS D + G + G S S U U P+ N+ A P N+ P+ N+ N+
D
A P
若 VDS 继续 →A 点左移 → 出现夹断区 因此预夹断后： VDS 基本上都降落在夹断区 →ID 基本维持不变。
U
P+
VUS
S N+
-
VGS
+
G N+
D
+
O
P
-2V -4V
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
但是由于VGS不变，即栅极上的正电荷量 不变，因而反型层中的自由电子数就必然减 小，从而引起沟道电阻增大，ID减小。 根据衬底电压对 ID 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
• 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)。
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场效应管
3.1
MOS 场效应管
N 沟道(NMOS) P 沟道(PMOS)
增强型(EMOS)
MOSFET 耗尽型(DMOS)
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。
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P 沟道 EMOS 管
VDS + S U N+ P+ N P+
VGS + -
G
D
D
G S
ID
U
N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似。
不同之处： 电路符号中的箭头方向相反。 外加电压极性相反、电流 ID 流向相反。
即
VDS < 0 、VGS < 0
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场效应管
• 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 VGS 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p
U P+ S N+ P
VDS = 0
VGS + 反型层
G N+ D
形成 N 型导电沟道
VGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。
VGS > VGS(th) V DS < VGS – VGS(th)
O
4V 3.5 V
VDS /V
ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。
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。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
O
VGS = 5 V
4.5 V 4V 3.5 V VDS /V
相当于 MOS 管三个电极断开。
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。
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场效应管
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：
rds 为场效应管输出电阻：
rds 1 /( I DQ ) （ ——沟道长度调制系数， =－1/|VA|） 与三极管输出电阻表达式 rce 1/(ICQ) 相似。
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场效应管
MOS 管跨导
利用
得
i D gm vGS
Q
ID
C OXW
2l
Q
(VGS VGS(th) )2
)
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场效应管
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
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
T
D1
D2
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。
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NEMOS 管转移特性曲线
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/mA VDS = 5 V ID/mA VDS = VGS – VGS(th)