第3章：场效应管详解.ppt

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1、3.2 结型场效应管结型场效应管3.1 MOS场效应管场效应管第三章第三章 场效应管场效应管3.0 概述概述3.0 3.0 概概 述述 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件体器件,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。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。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。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管

2、是单极型器件（场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件三极管是双极型器件）。）。场效应管受温度的影响小（场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流只有多子漂移运动形成电流)。一、场效应管的种类一、场效应管的种类按结构不同分为按结构不同分为绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管结型场效应管JFETP P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道MOSFETMOSFET（按工作方式不同）按工作方式不同）按工作方式不同）按工作方式不同）耗尽型（耗尽型（DMOS）增强型（增强型（EMOS）沟道沟道：指载流子流通的渠道、路径。指载流子流通的渠道

3、、路径。N沟道沟道是指是指以以N型材料构成的区域型材料构成的区域作为载流子流通的路径；作为载流子流通的路径；P沟道沟道指以指以P型材料构成的区域型材料构成的区域作为载流子流通的路径。作为载流子流通的路径。3.1 3.1 MOS场效应管场效应管P沟道（沟道（PMOS）N沟道（沟道（NMOS）P沟道（沟道（PMOS）N沟道（沟道（NMOS）MOSFETFET增强型（增强型（EMOS）耗尽型（耗尽型（DMOS）N沟道沟道MOS管与管与P沟道沟道MOS管管工作原理相似，不工作原理相似，不同之处仅在于同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因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

4、反此导致加在各极上的电压极性相反。N+N+P+P+PUSGD3.1.1 3.1.1 增强型增强型MOS场场效应管效应管q N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P P型硅型硅 衬底衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)。U接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连(保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏)。VGS 0(形成导电沟道形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+-+-+VGSq N

5、沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理栅栅 衬之间衬之间相当相当于以于以SiO2为介质为介质的平板电容器。的平板电容器。N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假设假设VDS=0，讨论讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与PN结相通结相通VGS 衬底表面层中衬底表面层中负离子负离子、电子、电子 VGS 开启电压开启电压VGS(th)形成形成N型导电沟道型导电沟道表面层表面层 npVGS越越大，反型层中大，反型层中n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。反型层反型层 VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS VGS

6、(th)且保持不变）且保持不变）VDS很很小时小时 VGD VGS。此时此时W近似不变近似不变，即即Ron不变不变。由由图图 VGD=VGS-VDS因此因此 VDS ID线性线性 。若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+当当VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若VDS 继续继续 A点左移点左移出现夹断区出现夹断区此时此时 VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）恒定）若忽略沟

7、道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即不变（即Ron不变）。不变）。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+APP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+AVDS ID 基本维持不变。基本维持不变。若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应则则VDS 沟道长度沟道长度l 沟道电阻沟道电阻Ron略略。因此因此 VDS ID略略。由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS 变化变化的关系曲线：的关系曲线：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。MO

8、S管仅依靠一种载流子（多子）导电，故管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称称单极型器件。单极型器件。三极三极管中多子、少子同时参与导电，故称管中多子、少子同时参与导电，故称双双极型器件。极型器件。利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应，通通过过栅栅源源电电压压VGS的的变变化化，改改变变感感生生电电荷荷的的多多少少，从从而而改改变变感感生沟道的宽窄，控制漏极电流生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：工作原理：由于由于MOS管栅极电流管栅极电流为零，故不讨论输入特为零，故不讨论输入特性曲线。性曲线。共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID=f(VGS)VDS=常数常数转移

9、特性：转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数常数输出特性：输出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+-转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，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。它们之间可以相互转换。NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线q 非饱和区非饱和区特点：特点：ID同时受同时受VGS与与VDS的控制。的控制。当当VGS为常数时，为常数时，VDSID近似线性近似线性，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V当当VDS为常数时，为常数时，VGS ID

10、，表现出一种压控电阻的特性。表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th)V DS VGS(th)V DS VGSVGS(th)考考虑虑到到沟沟道道长长度度调调制制效效应应，输输出出特特性性曲曲线线随随VDS的增加略有上翘。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。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。数学模型：数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：的修正方程：工工作作在在饱饱和和区区时时，MOS管管的的正正向向受受控控作作用用，服服从平方律关系式：从平方律关系

11、式：其中：其中：称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与l 有关。有关。通常通常 =(0.005 0.03)V-1q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于MOS管三个电极断开。管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGS VGS(th)ID=0=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG0，ID0q 击穿区击穿区 VDS增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬PN结结雪崩击穿雪崩击穿 ID剧增。剧增。VDS沟道沟道 l 对于对于l 较小的较小的MOS管管穿通击穿。穿通击穿。由于

12、由于MOS管管COX很小，因此当带电物体（或人）很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生绝缘层中将产生很大的电压很大的电压VGS(=Q/COX)，使使绝缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成MOS管永久性损坏管永久性损坏。MOS管保护措施：管保护措施：分立的分立的MOS管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地。各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：集成电路：TD2D1D1 D2一方面限制一方面限制VGS间间最大电压，同时对感最大电压，同时对感 生生电荷起旁路作用。电荷起旁路作用。NEMOS管管转移特性曲线转移特性曲线VGS(th)=3VVD

13、S=5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制作的控制作用用,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345 转移特性曲线中转移特性曲线中,ID=0 时对应的时对应的VGS值值,即即开启开启电压电压VGS（th）。q P沟道沟道EMOS管管+-+-VGSVDS+-+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0、VGS 0，VGS 正、负、零均可。正、

14、负、零均可。外部工作条件：外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的管在饱和区与非饱和区的ID表达式表达式与与EMOS管管相同相同。PDMOS与与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。的差别仅在于电压极性与电流方向相反。3.1.3 3.1.3 四种四种MOS场场效应管比较效应管比较q 电路符号及电流流向电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移特性转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q 饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型饱和区（放大区

15、）外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型N沟道：沟道：VDS 0，P沟道沟道：VDS|VGS VGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区（放大区）工作条件饱和区（放大区）工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区（可变电阻区）数学模型非饱和区（可变电阻区）数学模型q FETFET直流简化电路模型直流简化电路模型(与三极管相对照与三极管相对照)场效应管场效应管G、S之间开路之间开路 ，IG 0。三极管发射结由于正偏而导通，等效三极管发射结由于正偏而导通，等效为为VBE(on)。FET输出端等效为输出端等效为压控压控电流源，满足平方律方程：电流源，满足平

16、方律方程：三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源，满足电流源，满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 相似。相似。3.1.4 3.1.4 小信号电路模型小信号电路模型q MOSMOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型(与三极管对照与三极管对照)gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-rds为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻：由于场效应管由于场效应管IG 0，所以输入电阻所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，而三极管发射结正偏，故输入电阻故输入电阻rb e较小

17、。较小。rb ercebceibic+-+vbevcegmvb e MOS管管跨导跨导利用利用得得三极管三极管跨导跨导 通常通常MOS管管的跨导比的跨导比三极管的三极管的跨导要小一个数跨导要小一个数量级以上，即量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。q 计及衬底计及衬底效应的效应的MOS管简化电路模型管简化电路模型 考虑到衬底电压考虑到衬底电压vus对漏极电流对漏极电流id的的控制作用，小信控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅跨导，称背栅跨导，工程上

18、工程上 为常数，为常数，一般一般 =0.1 0.2q MOS管管高频小信号电路模型高频小信号电路模型 当当高高频频应应用用、需需计计及及管管子子极极间间电电容容影影响响时时，应应采采用如下高频等效电路模型。用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs栅源极间栅源极间平板电容平板电容漏源极间电容漏源极间电容（漏衬与（漏衬与源衬之间的势垒电容）源衬之间的势垒电容）栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容 场场效效应应管管电电路路分分析析方方法法与与三三极极管管电电路路分分析析方方法法相相似似，可可以以采采用用估估算算法法分分析析电电路路直直流流工工作作点点；采采用

19、用小信号等效电路法小信号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。3.1.5 3.1.5 MOS管电路分析方法管电路分析方法 场效应管估算法分析思路与三极管相同，场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由只是由于于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。定要注意自身特点。q 估算法估算法 MOS管管截止模式判断方法截止模式判断方法假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式（需重新计算需重新计算Q Q

20、点点）N沟道管沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件 非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)a)由直流通路写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式。之间关系式。c)c)联立解上述方程，选出合理的一组解。联立解上述方程，选出合理的一组解。d)d)判断电路工作模式：判断电路工作模式：若若|VDS|VGSVGS(th)|若若|VDS|VGSVGS(th)，VGS VGS(th)，假设成立。假设成立。q 小信号等效电路法小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。利用微变等效电路分析交流指标。利

21、用微变等效电路分析交流指标。画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号电路模型代替用小信号电路模型代替 计算微变参数计算微变参数gm、rds注：具体分析将在第四章中详细介绍。注：具体分析将在第四章中详细介绍。3.2 3.2 结型场效应管结型场效应管q JFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSDq N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0(保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)VGS VGS(off)V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off)在饱和区，在饱和区，JFET的的ID

22、与与VGS之间也满足平方律关系，但由于之间也满足平方律关系，但由于JFET与与MOS管结构不同，故管结构不同，故方程不同。方程不同。q 截止区截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区沟道全夹断的工作区条件：条件：VGS 0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。P沟道沟道FET：VDS 0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P沟道沟道沟道沟道：VDS 0 ID(mA)VGS(V)结型结型结型结型结型结型结型结型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型MOS管管：

23、VGS 与与VDS 极性相同极性相同。耗尽型耗尽型MOS管管：VGS 取值任意取值任意。结型结型FET管管：VGS与与VDS极性相反极性相反。场效应管的电路符号可知：无论是场效应管的电路符号可知：无论是JFET或或是是MOSFET，它都有三个电极：栅极它都有三个电极：栅极G、源极源极S、漏极漏极D。它们与三极管的三个电极一一对应它们与三极管的三个电极一一对应（其实（其实（其实（其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构

24、成的电路的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）：G-B S-E D-C N沟道管子箭头是指向沟道的，而沟道管子箭头是指向沟道的，而P沟道管子沟道管子的箭头是背离沟道的。的箭头是背离沟道的。q 场效应管与晶体三极管性能比较场效应管与晶体三极管性能比较 项目项目器件器件电极名称电极名称工作区工作区导导电电类类型型输输入入电电阻阻跨跨导导晶体晶体三极三极管管e e极极b b极极c c极极放放大大区区饱饱和和区区双双极极型型小小大大场效场效应管应管s s极极

25、g g极极d d极极饱饱和和区区非饱非饱和区和区单单极极型型大大小小v(一）基础元器件及其分析方法一）基础元器件及其分析方法1.了解半导体中载流子的运动、导电原理；了解二极了解半导体中载流子的运动、导电原理；了解二极管、三极管、场效应管的工作原理。管、三极管、场效应管的工作原理。2.理解二极管、三极管、场效应管的伏安特性曲线理解二极管、三极管、场效应管的伏安特性曲线（非线性特性），各个工作区域的划分，工作特点和运（非线性特性），各个工作区域的划分，工作特点和运用条件，正确把握非线性元器件的分析方法。用条件，正确把握非线性元器件的分析方法。3.掌握三极管、场效应管的等效电路及其应用条件。掌握三极管、场效应管的等效电路及其应用条件。4.掌握含有二极管、三极管和场效应管的电路分析方掌握含有二极管、三极管和场效应管的电路分析方法（第四章还会学习）。法（第四章还会学习）。