場效應(yīng)管工作原理與應(yīng)用

1、1,3.2 結(jié)型場效應(yīng)管,3.3 場效管應(yīng)用原理,3.1 mos 場效應(yīng)管,第 3 章場效應(yīng)管,2,概 述,場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件,場效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別,場效應(yīng)管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻,場效應(yīng)管是單極型器件(三極管是雙極型器件,場效應(yīng)管分類,3,3.1mos 場效應(yīng)管,n 溝道 mos 管與 p 溝道 mos 管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反,4,3.1.1增強型 mos 場效應(yīng)管,n 溝道 emosfet 結(jié)構(gòu)示意圖,5,n

2、 溝道 emos 管外部工作條件,vds 0 (保證漏襯 pn 結(jié)反偏,u 接電路最低電位或與 s 極相連(保證源襯 pn 結(jié)反偏,vgs 0 (形成導(dǎo)電溝道,n溝道 emos 管工作原理,6,n 溝道 emosfet 溝道形成原理,假設(shè) vds = 0，討論 vgs 作用,vgs 越大，反型層中 n 越多，導(dǎo)電能力越強,7,vds 對溝道的控制(假設(shè) vgs vgs(th) 且保持不變,vds 很小時 vgd vgs 。此時 w 近似不變，即 ron 不變,由圖vgd = vgs - vds,因此 vdsid 線性,若 vds 則 vgd 近漏端溝道 ron增大,此時 ron id 變慢,8

3、,當(dāng) vds 增加到使 vgd = vgs(th) 時 a 點出現(xiàn)預(yù)夾斷,若 vds 繼續(xù) a 點左移 出現(xiàn)夾斷區(qū),此時 vas = vag + vgs = -vgs(th) + vgs (恒定,若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為 l 不變(即 ron不變,因此預(yù)夾斷后,vds id 基本維持不變,9,若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng),則 vds 溝道長度 l 溝道電阻 ron略,因此 vds id 略,由上述分析可描繪出 id 隨 vds 變化的關(guān)系曲線,曲線形狀類似三極管輸出特性,10,mos 管僅依靠一種載流子(多子)導(dǎo)電，故稱單極型器件,三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件,利用半導(dǎo)體

4、表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓 vgs 的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流 id,mosfet 工作原理,11,由于 mos 管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線,共源組態(tài)特性曲線,伏安特性,轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換,12,nemos 管輸出特性曲線,非飽和區(qū),特點,id 同時受 vgs 與 vds 的控制,當(dāng) vgs為常數(shù)時，vdsid 近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性,當(dāng) vds為常數(shù)時，vgs id ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性,溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū),因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū),13,數(shù)學(xué)模型,此時 mos 管可看成阻

5、值受 vgs 控制的線性電阻器,vds 很小 mos 管工作在非飽區(qū)時，id 與 vds 之間呈線性關(guān)系,其中，w、l 為溝道的寬度和長度,cox (= / ox) 為單位面積的柵極電容量,注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū),14,飽和區(qū),特點,id 只受 vgs 控制，而與 vds 近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用,溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū),考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨 vds 的增加略有上翹,注意：飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應(yīng)三極管的放大區(qū),15,數(shù)學(xué)模型,若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則 id 的修正方程,工作在飽和區(qū)時，mos 管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式,其中， 稱溝道

6、長度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關(guān),通常 = (0.005 0.03 )v-1,16,截止區(qū),特點,相當(dāng)于 mos 管三個電極斷開,溝道未形成時的工作區(qū),條件,vgs vgs(th,id = 0 以下的工作區(qū)域,ig 0，id 0,擊穿區(qū),vds 增大到一定值時漏襯 pn 結(jié)雪崩擊穿 id 劇增,vds 溝道 l 對于 l 較小的 mos 管 穿通擊穿,17,由于 mos 管 cox 很小，因此當(dāng)帶電物體(或人)靠近金屬柵極時，感生電荷在 sio2 絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓 vgs(= q /cox)，使絕緣層擊穿，造成 mos 管永久性損壞,mos 管保護措施,分立的 mos 管：各極引線短接、

7、烙鐵外殼接地,mos 集成電路,d1 d2 一方面限制 vgs 間最大電壓，同時對感 生電荷起旁路作用,18,nemos 管轉(zhuǎn)移特性曲線,vgs(th) = 3v,vds = 5 v,轉(zhuǎn)移特性曲線反映 vds 為常數(shù)時，vgs 對 id 的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到,vds = 5 v,轉(zhuǎn)移特性曲線中，id = 0 時對應(yīng)的 vgs 值，即開啟電壓 vgs(th),19,襯底效應(yīng),集成電路中，許多 mos 管做在同一襯底上，為保證 u 與 s、d 之間 pn 結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位(n 溝道)或最高電位(p 溝道,若| vus ,耗盡層中負離子數(shù),因 vgs 不變(g 極正電荷量不變

8、,id,根據(jù)襯底電壓對 id 的控制作用，又稱 u 極為背柵極,阻擋層寬度,表面層中電子數(shù),20,p 溝道 emos 管,n 溝道 emos 管與 p 溝道 emos 管工作原理相似,即 vds 0 、vgs 0,外加電壓極性相反、電流 id 流向相反,不同之處,電路符號中的箭頭方向相反,21,3.1.2耗盡型 mos 場效應(yīng)管,dmos 管結(jié)構(gòu),22,ndmos 管伏安特性,vds 0，vgs 正、負、零均可,外部工作條件,dmos 管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的 id 表達式與 emos管 相同,pdmos 與 ndmos 的差別僅在于電壓極性與電流方向相反,23,3.1.3四種 mos 場效應(yīng)管

9、比較,電路符號及電流流向,轉(zhuǎn)移特性,24,飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型,vds 極性取決于溝道類型,n 溝道：vds 0， p 溝道：vds 0,vgs 極性取決于工作方式及溝道類型,增強型 mos 管： vgs 與 vds 極性相同,耗盡型 mos 管： vgs 取值任意,飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān),25,臨界飽和工作條件,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))工作條件,vds | = | vgs vgs(th) ,vgs| |vgs(th) ,vds | | vgs vgs(th) ,vgs| |vgs(th) ,飽和區(qū)(放大區(qū))工作條件,vds | | vgs vgs(th) ,vgs| |

10、vgs(th) ,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))數(shù)學(xué)模型,26,fet 直流簡化電路模型(與三極管相對照,場效應(yīng)管 g、s 之間開路 ，ig 0,三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為 vbe(on),fet 輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程,三極管輸出端等效為流控電流源，滿足 ic = ib,27,3.1.4小信號電路模型,mos 管簡化小信號電路模型(與三極管對照,rds 為場效應(yīng)管輸出電阻,由于場效應(yīng)管 ig 0，所以輸入電阻 rgs,而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻 rbe 較小,與三極管輸出電阻表達式 rce 1/(icq) 相似,28,mos 管跨導(dǎo),通常 mos 管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要

11、小一個數(shù)量級以上，即 mos 管放大能力比三極管弱,29,計及襯底效應(yīng)的 mos 管簡化電路模型,考慮到襯底電壓 vus 對漏極電流 id 的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源 gmuvus,gmu 稱背柵跨導(dǎo)，工程上,為常數(shù)，一般 = 0.1 0.2,30,mos 管高頻小信號電路模型,當(dāng)高頻應(yīng)用、需計及管子極間電容影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型,31,場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標,3.1.5mos 管電路分析方法,場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外

12、部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點,估算法,32,mos 管截止模式判斷方法,假定 mos 管工作在放大模式,放大模式,非飽和模式(需重新計算 q 點,非飽和與飽和(放大)模式判斷方法,a)由直流通路寫出管外電路 vgs與 id 之間關(guān)系式,c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解,d)判斷電路工作模式,若 |vds| |vgsvgs(th),若 |vds| |vgsvgs(th),b)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型,33,例 1已知 ncoxw/(2l) = 0.25 ma/v2，vgs(th)= 2 v，求 id,解,假設(shè) t 工作在放大模式,代入已知條件解上述方程組

13、得,vds = vdd - id (rd + rs) = 6 v,因此,驗證得知,vds vgsvgs(th),vgs vgs(th,假設(shè)成立,34,小信號等效電路法,場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似,利用微變等效電路分析交流指標,畫交流通路,將 fet 用小信號電路模型代替,計算微變參數(shù) gm、rds,注：具體分析將在第 4 章中詳細介紹,35,3.2結(jié)型場效應(yīng)管,jfet 結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號,36,n溝道 jfet 管外部工作條件,vds 0 (保證柵漏 pn 結(jié)反偏,vgs 0 (保證柵源 pn 結(jié)反偏,3.2.1jfet 管工作原理,37,vgs 對溝道寬度的影響,若 vds

14、= 0,38,vds 很小時 vgd vgs,由圖 vgd = vgs - vds,因此 vdsid 線性,若 vds 則 vgd 近漏端溝道 ron 增大,此時 ron id 變慢,vds 對溝道的控制(假設(shè) vgs 一定,此時 w 近似不變,即 ron 不變,39,當(dāng) vds 增加到使 vgd = vgs(off) 時 a 點出現(xiàn)預(yù)夾斷,若 vds 繼續(xù)a 點下移 出現(xiàn)夾斷區(qū),此時 vas = vag + vgs = -vgs(off) + vgs (恒定,若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為 l 不變(即 ron不變,因此預(yù)夾斷后,vds id 基本維持不變,40,利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)，

15、通過柵源電壓 vgs的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄，控制漏極電流 id,jfet 工作原理,綜上所述，jfet 與 mosfet 工作原理相似，它們都是利用電場效應(yīng)控制電流，不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同,41,njfet 輸出特性,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū),特點,id 同時受 vgs 與 vds 的控制,3.2.2伏安特性曲線,線性電阻,42,飽和區(qū)(放大區(qū),特點,id 只受 vgs 控制，而與 vds 近似無關(guān),數(shù)學(xué)模型,在飽和區(qū)，jfet 的 id 與 vgs 之間也滿足平方律關(guān)系，但由于 jfet 與 mos 管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同,43,截止區(qū),特點,溝道全夾斷的

16、工作區(qū),條件,vgs vgs(off,ig 0，id = 0,擊穿區(qū),vds 增大到一定值時 近漏極 pn 結(jié)雪崩擊穿,造成 id 劇增,vgs 越負 則 vgd 越負 相應(yīng)擊穿電壓 v(br)ds 越小,44,jfet 轉(zhuǎn)移特性曲線,同 mos 管一樣，jfet 的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到(略,id = 0 時對應(yīng)的 vgs 值 夾斷電壓 vgs(off),vgs = 0 時對應(yīng)的 id 值 飽和漏電流 idss,45,jfet 電路模型同 mos 管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型不同，因此，跨導(dǎo)計算公式不同,jfet 電路模型,利用,得,46,各類 fet 管 vds、vgs 極性比較,vds 極性與 id 流向僅取決于溝道類型,vgs 極性取決于工作方式及溝道類型,由于 fet 類型較多，單獨記憶較困難，現(xiàn)將各類 fet 管 vds、vgs 極性及 id 流向歸納如下,n 溝道 fet：vds 0，id 流入管子漏極,p 溝道 fet：vds 0，id 自管子漏極流出,jfet 管： vgs 與 v