低频电子线路 第三章 场效应管

ID
=
μnCOXW 2l
(VGS
−VGS(th) )2
若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
ID
=
μnCOXW 2l
(VGS
−
VGS(th)
)2
⎜⎜⎝⎛1
−
VDS VA
⎟⎟⎠⎞
( ) =
μnCOXW 2l
(VGS
− VGS(th) )2
1+ λVDS
其中：λ 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。
因此，非饱和区又称为线性区或可变电阻区。
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
=
μ n COXW 2l
[2(VGS
− VGS(th) )VDS
− VD2S ]
≈
μnCOXW l
(VGS
− VGS(th) )VDS
其中：W、l 为沟道的宽度和长度，μn电子迁移率
(VGS
− VGS(th) )VDS
3.1.4 小信号电路模型
iD
D
iB
G
b
iC c
T
S
e
直流量叠加交流量
电压瞬时值：vGS = VGSQ + vgs，vDS = VDSQ + vds，
电流瞬时值： iG = 0,iD = I DQ + id ,
( ) 漏极电流：iDQ
=
μnCOXW 2l
(vGSQ
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
DFra Baidu bibliotek
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+
P+
N+
N+
P
P
由图 VGD = VGS - VDS
1、VDS很小时 → VGD ≈VGS 。此时沟道处处相同，沟道等效电
阻Ron近似不变。 因此
VDS↑→ID线性 ↑。
2、 若VDS ↑→则VGD ↓ →近漏端沟道↓ → Ron增大。
D1 D2
T 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。
2、饱和区
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
沟道预夹断后对应的工作区。
VGS =5V
条件： VGS > VGS(th)
4.5V
V DS > VGS–VGS(th)
4V
3.5V
特点：
0
VDS /V
ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类
一、 N沟道EMOS管工作原理
¾ 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)。
• VGS > 0 (形成导电沟道)
-VDS +
S -VGS + G
D
U
栅∼衬之间相当
于以SiO2为介质 的平板电容器。
P+
N+
N+
P
概述
ID/mA
VDS = 5V
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
4.5V
4V 3.5V
0
1
234 VGS(th) = 3V
5 VGS /V
0 VDS = 5V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
三、 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、
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。
3、 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
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V
P型硅 衬底
¾ N沟道EMOSFET沟道形成原理
VGS=0，VDS>0,没有导电沟道形成，MOS管中的两个PN结都一个正 偏，一个反偏，流过漏源之间的电流很小，可以忽略，FET不导电
• 假设VDS =0，讨论VGS作用
VGS↑
VGS(th):阈值电压， Threshold Voltage
栅下衬底表层中负离子
U
S
VVDDSS=>0 -VGS + G
(电离受主）↑、空穴↓
P+
N+
反型层
D
N+
形成空间电荷区
并与PN结相通
P
VGS ≥ 开启电压VGS(th) 表面层 反型 形成N型导电沟道
n>>p VGS越大，反型层中n 越多，沟道厚度越大导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
COX （= ε / tOX）为单位面积的栅极电容值。
此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
Ron =
1 ∂I D
=
l μnCOXW
⎜⎛ ⎜⎝ VGS
1 − VGS(th)
⎟⎟⎠⎞
∂VDS
注意：非饱和区相当于双极型晶体三极管的饱和区。
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：
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
ID
≈
μCOXW 2l
(VGS
− VGS(th) )2
临界饱和工作条件 |VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS –VGS(th) |
根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。
3.1.2 耗尽型MOS场效应管
DMOS管结构
S U
G
D
N沟道
P+
N+
N+
G
DMOS
P
D
ID
U
S
P沟道 DMOS
VGS=0时，导电沟道已存在
S U
G
D
N+
P+
P+
N
沟道线是实线
D
ID
U G
S
3.1.3 四种MOS场效应管比较
ID ID ID ID
四、 P沟道EMOS管
FET分类：
MOS场效应管 （Metal Oxide Semiconductor FET）
结型场效应管（Junction FET）
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
+VDS -
S +VGS- G
D
U
N+
P+
P+
D
ID
U G
S
D ID
U G
N
S
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
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
场效应管（Field Effect Transistor简称：FET）是一种 电压控制器件(vGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与 导电，是单极型器件。 BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子 和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。 FET的优点：制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输 入电阻极高，应用广泛。
− VGS(th) )2
1 + λvDSQ
如果交流量足够小，可以泰勒展开：
id = gmvgs + g v ds ds
27
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。
id
g +
vgs
s
gmvgs
gmuvus rds
沟道预夹断前对应的工作区。
VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS > VGS(th) V DS < VGS–VGS(th)
特点： ID同时受VGS与VDS的控制。 0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
VDS /V
当VGS为常数时，VDS↑→ID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。
通常 λ =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
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：
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 +
U -VUS+ S -VGS + G
D
ID/mA VUS = 0 -2V
-4V
P+
N+
N+
P
O
VGS /V
若| VUS | ↑ → 空间电荷区↑ → 耗尽层中负离子数↑
因VGS不变（G极正电荷量不变）→ 沟道中电子数↓ → ID ↓
g +
vgs gmvgs
s
id
d +
rds vds
-
id = gmvgs + gdsvds
d +
vds
-
gmu称背栅跨导，工程上
g mu
=
∂iD ∂vus
Q = ηgm
η 为常数，一般η = 0.1~ 0.2
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
IG≈0
DG
+
ID
IB
DB
+
IC
C
G
VGS ID(VGS )
VBE(on)
β IB
-
-
S
S
E
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) 。
MOSFET工作原理总结：
利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压 VGS的变化，改变感生电荷的数量，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。
¾ NEMOS管输出特性曲线
1、非饱和区
ID/mA
第三章 场效应管
3.1 MOS场效应管
MOSFET
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS）
耗尽型（DMOS） P沟道（PMOS）
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似， （1）NMOS→电子导电，PMOS→空穴导电 （2）加在各极上的电压极性相反，电流方向相反
ID/mA
0. 5V
0V
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
0
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。
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
饱和区（放大区）工作条件 |VGS| > |VGS(th) |， |VDS | > | VGS –VGS(th) |
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
≈
μ
COXW l
IC C
T
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
E IG≈0
共源组态特性曲线：
VG+-S
输出特性：
ID= f ( VDS ) VGS = 常数
ID
+
T VDS
-
转移特性：
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。
3、当VDS增加到使VGD ↓=VGS(th)时 → A点出现预夹断，此时
FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：
ID
≈
μ C OX W 2l
(V GS
− V GS(th)
)2
三极管输出端等效为流控电流源，满足IC=β IB 。
gm ≈ 2
μ C OX W 2l
I DQ
rds
=
1 g ds
≈
1 λ I DQ
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。
特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 0
4V 3.5V
VDS /V
4、 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。
¾ 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。
VGD=VGS-VDS=VGS（th），即： VDS= VGS - VGS（th）
-VDS +
-VDS +
U
S -VGS + G
D U
S -VGS + G
D
P+
N+
N+ A
P
P+
N+
N+
A
P
4、 若VDS 继续↑→A点左移→出现夹断区 此时 VGA = VGS -VAS =VGS(th) 即：VAS=VGS+ VGS(th) （恒定） 当VGS给定时，实际沟道两端的压降不变 漏极和源极之间的压降VDS=VAS+耗尽层压降,即：VDS>VGS - VGS（th） 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，沟道夹断之后： VDS ↑ →ID 基本维持不变。
此时 Ron ↑→ID 随VDS ↑的速度变缓。
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
0 VGS –VGS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
二、 伏安特性
IB B