1、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：,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：,3.1 MOS 场效应管,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。,增强型 MOS 场效应管,N 沟道 EMOSFET 结构示意图,N 沟道 EMOS 管外部工作条件,vDS 0 (形成漏极流向源极的电流),B 接电路最低电位或与 S 极相
2、连(保证源、漏与衬 PN 结反偏),vGS 0 (形成导电沟道),N沟道 EMOS 管工作原理,N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理,假设 vDS = 0，讨论 vGS 作用,vGS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。,单位面积栅电容：,沟道中导电载流子浓度：,vDS 对沟道的控制(假设 vGS VGS(th) 且保持不变),vDS 很小时 vGD vGS 。此时 W 近似不变，即 Ron 不变。,由图 vGD = vGS - vDS,因此 vDSiD 线性 。,若 vDS 则 vGD 近漏端沟道W Ron增大。,此时 Ron iD 变慢。,当 vDS 增加到使 vGD = VGS(t
3、h) 时 A 点出现预夹断,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：,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。,利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压
4、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：,伏安特性,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。,NEMOS 管输出特性曲线,非饱和区,特点：,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。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为变阻区。,数学模型：,vDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时，iD 与
5、 vDS 之间呈线性关系：,其中，W、l 为沟道的宽度和长度。,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。,沟道预夹断后对应的工作区。,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(放大区)对应三极管的放大区。,数学模型：,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。,iD随温度升高而下降的负温度特性，与三极管相反，有利于提高管子的热稳定性。,截止区,特点：
6、,相当于 MOS 管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,vGS VGS(th),iD = 0 以下的工作区域。,iG 0，iD 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。,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、D2 限制 vGS 间最大电压,NEMOS
7、 管转移特性曲线,VGS(th) = 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。,vDS = 5 V,转移特性曲线中，iD = 0 时对应的 vGS 值，即开启电压 VGS(th) 。,衬底效应,集成电路中，许多 MOS 管做在同一衬底上，为保证 B 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)。,若| vBS | ,耗尽层中负离子数,因 vGS 不变(G 极正电荷量不变),iD ,根据衬底电压对 iD 的控制作用，又称 B 极为背栅极。,阻挡层宽度 ,表面层中电子数 ,P 沟道
8、EMOS 管,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。,耗尽型 MOS 场效应管,DMOS 管结构,NDMOS 管伏安特性,vDS 0，vGS 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。,MOSFET大信号电路模型,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
9、流源，满足平方律方程：,三极管输出端等效为流控电流源，满足 IC = IB 。,饱和区,三极管,MOS小信号电路模型,MOS 管饱和区小信号电路模型,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 。,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。,（ 沟道长度调制系数， =1/VA）,三极管,饱和区,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。,计及衬底效应的电路模型（衬底与源极不相连）,考虑到衬底电压 vBS 对漏极电流 iD 的控制作用，小信号
10、等效电路中需增加一个压控电流源 gmbvbs。,gmb 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，需考虑管子极间电容影响，应采用如下高频等效电路模型。,MOS 管非饱和区等效模型,工作于非饱和区的MOSFET的低频小信号模型等效为一个线性电阻。,MOSFET高频性能,四种 MOS 场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,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 M
11、OS 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(变阻区)工作条件,|vDS | = | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th) |，,|vDS | | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th) | ，,饱和区(放大区)工作条件,|vDS | | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th) |，,非饱和区(变阻区)数学模型,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),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
12、间关系式。,c)联立解上述方程，选出合理的一组解。,d)判断电路工作模式：,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,b)利用饱和区数学模型：,M O S 电 路 分 析 方 法,例 已知 nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2，VGS(th)= 2 V，求 ID 。,解：,假设 T 工作在放大模式,代入已知条件解上述方程组得：,VDS = VDD - ID (RD + RS) = 6 V,因此,验证得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假设成立。,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。,分析
13、交流指标。,画交流通路；,将 FET 用小信号电路模型代替；,计算微变参数 gm、rds；,注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。,3.2 结型场效应管,JFET 结构示意图及电路符号,N沟道 JFET 管外部工作条件,vDS 0 (保证栅漏 PN 结反偏),vGS 0 (保证栅源 PN 结反偏,实际小于VD(on)即可),JFET 管工作原理,vGS 对沟道宽度的影响,若 vDS = 0,vDS 很小时 vGD vGS,由图 vGD = vGS - vDS,因此 vDSiD 线性 ,若 vDS 则 vGD 近漏端沟道 Ron 增大。,此时 Ron iD 变慢,vDS 对沟道的控制(假设 vG
14、S 一定),此时 W 近似不变,即 Ron 不变,当 vDS 增加到使 vGD = VGS(off) 时 A 点出现预夹断,若 vDS 继续A 点下移 出现夹断区,此时 vAS = vAG + vGS = -VGS(off) + 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。,利用半导体内的电场效应，通过栅源电压vGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流 iD。,JFET 工作原理：,综上所述，JFET 与 MOSFET 工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道
15、形成的原理不同。,若考虑沟道长度调制效应，则iD略有增大。,NJFET 输出特性,非饱和区,特点：,iD 同时受 vGS 与 vDS 的控制。,伏安特性曲线,线性电阻：,IDSS 是vGS0 ，vDS -VGS(off)时的漏极电流,饱和区(放大区),特点：,iD 只受 vGS 控制，而与 vDS 近似无关。,数学模型：,在饱和区，JFET 的 iD 与 vGS 之间也满足平方律关系，但由于 JFET 与 MOS 管结构不同，故方程不同。,截止区,特点：,沟道全夹断的工作区,条件：,vGS VGS(off),iG 0，iD = 0,击穿区,vDS 增大到一定值时 近漏极 PN 结雪崩击穿, 造
16、成 iD 剧增。,vGS 越负 则 vGD 越负 相应击穿电压 V(BR)DS 越小,JFET 转移特性曲线,同 MOS 管一样，JFET 的转移特性也可由输出特性转换得到。,iD = 0 时对应的 vGS 值 夹断电压 VGS(off),vGS = 0 时对应的 iD 值 饱和漏电流 IDSS,JFET电路模型与MOS管相同，只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此跨导计算公式不同。,JFET 电路模型,利用,得,各类 FET 管 vDS、vGS 极性比较,vDS 极性与 iD 流向仅取决于沟道类型,vGS 极性取决于工作方式及沟道类型,由于 FET 类型较多，单独记忆较困难，现将各类 F
17、ET 管 vDS、vGS 极性及 iD 流向归纳如下：,N 沟道 FET：vDS 0，iD 流入管子漏极。,P 沟道 FET：vDS 0，iD 自管子漏极流出。,JFET 管： vGS 与 vDS 极性相反。,场效应管与三极管性能比较,在相同功耗的情况下，双极性器件可以获得更优越的频率特性。,N沟道 EMOS 管 GD 相连 构成有源电阻,有源电阻,3.4 场效应管应用原理,N 沟道 EMOS 管工作在饱和区。,伏安特性：,N 沟道 DMOS 管 GS 相连构成有源电阻,因此，当 vDS 0 vGS(th) 时，管子工作在饱和区。,伏安特性即 vGS = 0 时的输出特性。,当 vGS = 0 时，电路近似恒流输出。,有源电阻 构成分压器,若两管 n 、 COX 、VGS(th)相同，则,联立求解得：,调整沟道宽长比(W/l)，可得所需的分压值。,
