第3章：场效应管详解

第三章
3.0
场效应管
概述
3.1
3.2
MOS场效应管
结型场效应管
3.0 概 述
场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导
体器件,也是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。
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：
D1
T
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。
VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
0
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。
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 COXW ID (VGS VGS(th) ) 2 2l 若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
• 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。
• 场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流)。
一、场效应管的种类
绝缘栅型场效应管MOSFET 按结构不同分为 N沟道 结型场效应管JFET P沟道 N沟道 耗尽型（DMOS） P沟道
MOSFET
（按工作方式不同）
N沟道 增强型（EMOS） P沟道
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 d
vgs
s -
+
gmvgs
gmuvus
rds
vds
-
+
gmu称背栅跨导，工程上 g mu
iD vus
Q
g m
为常数，一般 = 0.1~ 0.2
1/( I EQ )相似。
iD MOS管跨导 g m vGS
Q
利用 I D 得 gm
COXW
2l
Q
(VGS VGS(th) ) 2
iD vGS
2
COXW
2l
I DQ
iC 三极管跨导 g m v BE

Q

re
38.5I CQ
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。
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 = 5V ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
0
1
2 3 4 VGS(th) = 3V
5 V /V GS
0
VDS = 5V
D
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）。
因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
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 V –V GS GS(th)
VDS
曲线形状类似三极管输出特性。
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。
3.1.1
增强型MOS场效应管
N沟道EMOSFET结构示意图
源极 衬底极
U S G D W
金属栅极 漏极
电路符号
D G S 沟道长度 U
P+ N+ N+ P+
沟道 宽度
SiO2 绝缘层 P型硅 衬底
l
P
N沟道EMOS管工作原理
N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。
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。
栅漏极间 平板电容
Cgd
g
id
vds
+ d
vgs Cgs
-
+
gmvgs s
沟道：指载流子流通的渠道、路径。N沟道是指 以N型材料构成的区域作为载流子流通的路径；P沟道 指以P型材料构成的区域作为载流子流通的路径。
3.1 MOS场效应管
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） 耗尽型（DMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS）
MOSFET
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。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
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
n COXW
2l
2 [2(VGS VGS(th) )VDS VDS ]

n COXW
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。
即
VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管 DMOS管结构
U
S P+ N+ G N+ D
D
ID
U
N沟道 DMOS
G
P
S
VGS=0时，导电沟道已存在
U S N+ P+ G P+ D
沟道线是实线
D
ID
U
P沟道 DMOS
G
N
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启 电压VGS（th） 。
P沟道EMOS管
VGS + P+ N
VDS + G P+ D
U N+
S
D
G S
ID
U
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 电路符号中的箭头方向相反。 不同之处： 外加电压极性相反、电流ID流向相反。
2l n COXW (VGS VGS(th) ) 2 1 VDS 2l 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
ID
n COXW
VDS (VGS VGS(th) ) 1 V A
四种MOS场效应管比较
D
电路符号及电流流向
ID
U G
ID
U G
D
ID
U G
D
ID
U
Hale Waihona Puke GS NEMOSS NDMOS
S PEMOS
S PDMOS
转移特性
ID ID
ID ID
0 VGS(th)
VGS
VGS(th) 0
VGS
VGS(th) 0 V GS
0 VGS(th VGS
)
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
此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：
1 V V GS GS(th) 注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。 l Ron n COXW
饱和区
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
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
COXW
2l
(VGS VGS(th) ) 2
临界饱和工作条件 |VGS| = |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) |， |VGS| > |VGS(th) | ，
0. 5V 0V
ID/mA
-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。
3.1.3
D
3.1.4
小信号电路模型
ic ib
+ d b