第3章場效應(yīng)管PPT課件

1、13.1MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管P 溝道( (PMOS) ) N 溝道( (NMOS) ) P 溝道( (PMOS) ) N 溝道( (NMOS) ) MOSFET增強型( (EMOS) ) 耗盡型( (DMOS) ) 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。 第1頁/共49頁2N+N+P+P+PUSGD3.1.1增強型增強型 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管q N 溝道溝道 EMOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖源極漏極襯底極 SiO2絕緣層金屬柵極P 型硅 襯底SGUD電路符號l溝道長度W溝道寬度第2頁/

2、共49頁3 N 溝道溝道 EMOS 管管外部工作條件外部工作條件 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) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N溝道溝道 EMOS 管管工作原理工作原理柵 襯之間相當(dāng)于以 SiO2 為介質(zhì)的平板電容器。第3頁/共49頁4 N 溝道溝道 EMOSFET 溝道形成原理溝道形成原理 假設(shè) VDS = 0，討論 VGS 作用PP+N+N+SGDUVDS = 0- + - + VGS形成空間電荷區(qū)并與 PN 結(jié)相通VGS 襯

3、底表面層中負離子 、電子 VGS 開啟電壓VGS(th)形成 N 型導(dǎo)電溝道表面層 npVGS 越大，反型層中 n 越多，導(dǎo)電能力越強。反型層第4頁/共49頁5 VDS 對溝道的控制對溝道的控制( (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 VDS ID 線性 。 若 VDS 則 VGD 近漏端溝道 Ron增大。此時 Ron ID 變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 第5頁

4、/共49頁6 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：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本維持不變。 第6頁/共49頁7 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

5、繪出 ID 隨 VDS 變化的關(guān)系曲線：IDVDSOVGS VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。第7頁/共49頁8 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：工作原理：第8頁/共49頁9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：ID = f ( VGS )VDS = 常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID = f ( VDS )VGS = 常數(shù)輸出特性：

6、q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - -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。 第9頁/共49頁10 NEMOS 管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 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； ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V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)。條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGS VGS(th)考慮

7、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)。第12頁/共49頁13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：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI ADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCI DS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC 其中， 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關(guān)。通常 = (0.005 0.03 )V- -1第13頁/共49頁14q 截止區(qū)截止區(qū)特點：相當(dāng)于 MOS 管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V

8、OVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V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 0q 擊穿區(qū)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。第14頁/共49頁15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、烙鐵外殼接地。MOS

9、集成電路：TD2D1D1 D2 一方面限制 VGS 間最大電壓，同時對感 生電荷起旁路作用。第15頁/共49頁16 NEMOS 管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 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。 ID/mAVDS /VOVDS = VGS VGS(th)VGS = 5 V3.5 V4 V4.5 VVDS = 5 VID/mAVGS /VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，ID = 0 時對應(yīng)的 VGS 值，即開啟電壓 VGS(th) 。第16頁/共49頁17q 襯底效應(yīng)襯底效應(yīng)集成電路中，許多 MOS 管做在同

10、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 | - - +VUS耗盡層中負離子數(shù) 因 VGS 不變( (G 極正電荷量不變) )ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根據(jù)襯底電壓對 ID 的控制作用，又稱 U 極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度 表面層中電子數(shù) 第17頁/共49頁18q P 溝道溝道 EMOS 管管+ -+ - VGSVDS+ -+ - SGUDNN+P+SGDUP+N 溝道 EMOS 管與 P 溝道 EMOS 管

11、工作原理相似。即 VDS 0 、VGS 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。第20頁/共49頁213.1.3四種四種 MOS 場效應(yīng)管比較場效應(yīng)管比較q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第21頁/共49頁22q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū))

12、)外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型 VDS 極性取決于溝道類型N 溝道：VDS 0， P 溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)飽和區(qū)( (放大區(qū)放大區(qū)) )工作條件工作條件|VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)( (可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)) )數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI 第23頁/共49頁24q FET 直流簡化電路模型直流簡化電路模型( (與三極管相對照與三極管相對照) ) 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，

13、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 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -第24頁/共49頁253.1.4小信號電路模型小信號電路模型q MOS 管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路模型( (與三極管對照與三極管對照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - 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 rb e

14、較小。與三極管輸出電阻表達式 rce 1/( ICQ) 相似。)/(1DQdsIr rb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e第25頁/共49頁26 MOS 管跨導(dǎo)QGSDmvig 2GS(th)GSOXD)(2 VVlWCI 利用利用DQOXQGSDm22 IlWCvig 得得CQeQEBCm5 .38 Irvig 三極管跨導(dǎo)三極管跨導(dǎo)通常 MOS 管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即 MOS 管放大能力比三極管弱。第26頁/共49頁27q 計及襯底效應(yīng)的計及襯底效應(yīng)的 MOS 管簡化電路模型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，

15、小信號等效電路中需增加一個壓控電流源 gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu 稱背柵跨導(dǎo)，工程上mQusDmugvig 為常數(shù)，一般 = 0.1 0.2。第27頁/共49頁28q MOS 管高頻小信號電路模型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。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容( (漏襯與源襯之間的勢壘電容) )柵漏極間平板電容第28頁/共49頁29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

16、號等效電路法分析電路動態(tài)指標(biāo)。3.1.5MOS 管電路分析方法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。q 估算法估算法第29頁/共49頁30 MOS 管截止模式判斷方法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) )N 溝道管：VGS VGS(th)截止條件 非飽和與飽和非飽和與飽和( (放大放大) )模式判斷方法模式判斷方法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。

17、d) )判斷電路工作模式：若 |VDS| |VGSVGS(th)| 若 |VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設(shè)成立。第31頁/共49頁32q 小信號等效電路法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(biāo)。 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。第32頁/共49頁333.2結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管q JFET 結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN 溝道 JFETP 溝道 JFETN+N+PGSD第33頁/共49頁34q

18、 N溝道溝道 JFET 管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏 PN 結(jié)反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off)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。第40頁/共49頁41q 截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS 0，ID 流入管子漏極。 P 溝道 FET：VDS vGS vGS(th) 因此當(dāng) vGS vGS(th) 時N 溝道 EMOS 管工作在飽和區(qū)。伏安特性：2GS(th)OXn)(2VvlWCi iDvGSVQIQQ直流電阻：QQ/ IVR ( (小) )交流電阻：ivr /( (大) )Tvi+- -+- -vRi第46頁/共49頁47q N 溝道溝道 DMOS 管管 GS 相連相連構(gòu)成有源電阻構(gòu)成有源電阻v = vDS ，vGS = 0 ，i = iD由圖因此，當(dāng) vDS 0 vGS(th) 時，管子工作在飽和區(qū)。伏安特性即 vGS = 0 時的輸出特性。由2GS(th)GSOXn)(2VvlWCi 得知當(dāng) vGS = 0 時，電路近似恒流輸出。