場效應管工作原理與應用ppt課件

1、1,3.2 結(jié)型場效應管,3.3 場效管應用原理,3.1 MOS 場效應管,第 3 章場效應管,2,概 述,場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。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。,場效應管與三極管主要區(qū)別：,場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。,場效應管是單極型器件(三極管是雙極型器件)。,場效應管分類：,3,3.1MOS 場效應管,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，因此導致加在各極上的電壓極性相反。,4,3.1.1增強型 MOS 場效應管,N 溝道 EMOSFET 結(jié)構(gòu)

2、示意圖,5,N 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 VDS = 0，討論 VGS 作用,VGS 越大，反型層中 n 越多，導電能力越強。,7,VDS 對溝道的控制(假設 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

3、增大。,此時 Ron ID 變慢。,8,當 VDS 增加到使 VGD = VGS(th) 時 A 點出現(xiàn)預夾斷,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，則近似認為 l 不變(即 Ron不變)。,因此預夾斷后：,VDS ID 基本維持不變。,9,若考慮溝道長度調(diào)制效應,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)導電，故稱單極型器件

4、。,三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。,利用半導體表面的電場效應，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 VGS為常數(shù)時，VDSID 近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；,當 VDS為常數(shù)時，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。,溝道預夾斷前對

5、應的工作區(qū)。,因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。,13,數(shù)學模型：,此時 MOS 管可看成阻值受 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，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。,溝道預夾斷后對應的工作區(qū)。,考慮到溝道長度調(diào)制效應，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))對應三極管的放大區(qū)。,15,數(shù)學模型：,若考慮溝

6、道長度調(diào)制效應，則 ID 的修正方程：,工作在飽和區(qū)時，MOS 管的正向受控作用，服從平方律關系式：,其中， 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關。,通常 = (0.005 0.03 )V-1,16,截止區(qū),特點：,相當于 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

7、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、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 時對應的 VGS 值，即開啟電壓 VGS(th) 。,19,襯底效應,集成電路中，許多 MOS 管做在同一襯底上，為保證 U 與 S、

8、D 之間 PN 結(jié)反偏，襯底應接電路最低電位(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),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

9、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 場效應管比較,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)學模型與管子類型無關,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

10、) |,|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| |VGS(th) |，,非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))數(shù)學模型,26,FET 直流簡化電路模型(與三極管相對照),場效應管 G、S 之間開路 ，IG 0。,三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導通，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),

11、rds 為場效應管輸出電阻：,由于場效應管 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,通常 MOS 管的跨導比三極管的跨導要小一個數(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，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,當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用如

12、下高頻等效電路模型。,31,場效應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，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應管電路時，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

13、模式：,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,b)利用飽和區(qū)數(shù)學模型：,33,例 1已知 nCOXW/(2l) = 0.25 mA/V2，VGS(th)= 2 V，求 ID 。,解：,假設 T 工作在放大模式,代入已知條件解上述方程組得：,VDS = VDD - ID (RD + RS) = 6 V,因此,驗證得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假設成立。,34,小信號等效電路法,場效應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)

14、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 = 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 VGS 一定),此時 W 近似不變,即 Ron 不變,39,當 VDS 增

15、加到使 VGD = VGS(off) 時 A 點出現(xiàn)預夾斷,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，則近似認為 l 不變(即 Ron不變)。,因此預夾斷后：,VDS ID 基本維持不變。,40,利用半導體內(nèi)的電場效應，通過柵源電壓 VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，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控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。,41,NJFET 輸出特性,非飽和區(qū)(

16、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。,數(shù)學模型：,在飽和區(qū)，JFET 的 ID 與 VGS 之間也滿足平方律關系，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 相應擊穿電壓 V(BR)DS 越小,44,JFET 轉(zhuǎn)移特性曲線,同

17、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 時對應的 VGS 值 夾斷電壓 VGS(off) 。,VGS = 0 時對應的 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)學模型不同，因此，跨導計算公式不同。,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