第3章 場效應管

1、 1. 1. 了解場效應管的結構，理解其工作原理。了解場效應管的結構，理解其工作原理。 2. 2. 掌握場效應管的符號、伏安特性和工作特點。掌握場效應管的符號、伏安特性和工作特點。 3. 3. 理解掌握場效應管放大電路的分析方法。理解掌握場效應管放大電路的分析方法。場效應管（場效應管（FET）: 是另一種具有正向受控作用的半導體器件。是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它是一種它是一種依靠電場效應來控制電流大小的半導體器件。依靠電場效應來控制電流大小的半導體器件。場效應管的特點：場效應管的特點： 1. 1. 場效應管是一種單極性半導體器件（只有一種載流子場效應管是一種單極性半導體器件（只有一

2、種載流子多子多子參與導電）。參與導電）。 2. 2. 場效應管是電壓控制器件。場效應管是電壓控制器件。 3. 3. 體積小、重量輕、耗電少、壽命長。體積小、重量輕、耗電少、壽命長。 4. 4. 輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好。輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好。 5. 5. 制造方便，適合大規(guī)模集成。制造方便，適合大規(guī)模集成。 場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。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）。場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應管的分類：場效應管的分類：2.2.結型場效應管（結型場效應管（JFETJFET）1.1.金屬氧化物半導

3、體型（絕緣柵）場效應管（金屬氧化物半導體型（絕緣柵）場效應管（MOSFETMOSFET）增強型增強型MOSMOS管管 (EMOS)(EMOS)耗盡型耗盡型MOSMOS管管 (DMOS)(DMOS)N N溝道（溝道（NMOS)NMOS)P P溝道（溝道（PMOS)PMOS)增強型增強型MOSMOS管管 (EMOS)(EMOS)耗盡型耗盡型MOSMOS管管 (DMOS)(DMOS)N N溝道溝道JFETJFETP P溝道溝道JFETJFET它是靠半導體表面電場效應來實現(xiàn)控制的半導體器件。它是靠半導體表面電場效應來實現(xiàn)控制的半導體器件。它是靠半導體體內電場效應來實現(xiàn)控制的半導體器件。它是靠半導體體內

4、電場效應來實現(xiàn)控制的半導體器件。JFETJFETMOSFETMOSFETP溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） P溝道（溝道（PMOS） N溝道（溝道（NMOS） 增強型（增強型（EMOS） 耗盡型（耗盡型（DMOS） N溝道溝道MOS管與管與P溝道溝道MOS管工作原理相似，不管工作原理相似，不同之處僅在于同之處僅在于它們形成電流的載流子性質不同，因它們形成電流的載流子性質不同，因此導致加在各極上的電壓極性相反此導致加在各極上的電壓極性相反。 N+N+P+P+PUSGDq N溝道溝道EMOSFET結構示意圖結構示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極

5、P P型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度 N溝道溝道EMOS管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )。 U接電路最低電位或與接電路最低電位或與S極相連極相連( (保證源襯保證源襯PN結反偏結反偏) )。 VGS 0 ( (形成導電溝道形成導電溝道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N溝道溝道EMOS管管工作原理工作原理柵柵 襯之間相當襯之間相當于以于以SiO2為介質為介質的平板電容器。的平板電容器。 N溝道溝道EMOSFET溝道形成原理溝道形成原理 假設假設VDS =

6、0，討論，討論VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGS形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)并與并與PN結相通結相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負離子負離子 、電子、電子 VGS 開啟電壓開啟電壓VGS(th)形成形成N型導電溝道型導電溝道表面層表面層 npVGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導電能力越強。越多，導電能力越強。反型層反型層V VGSGS對溝道的控制視頻演示對溝道的控制視頻演示 VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設（假設VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時很小時 VGD VGS 。此時此時W近似不變近似不變，即即Ron不變

7、不變。由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID線性線性 。 若若VDS 則則VGD 近漏端近漏端溝道寬度溝道寬度 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + V VDSDS對溝道的控制視頻演示對溝道的控制視頻演示 當當V VDSDS增加到使增加到使V VGD GD = =V VGS(th)GS(th)時時 A A點出現(xiàn)預點出現(xiàn)預夾斷夾斷（D D極附近極附近的反型層消失，此時的反型層消失，此時A A點電位點電位V VGAGA = =

8、V VGSGS(th(th) )） 若若V VDS DS 繼續(xù)繼續(xù) A A點左移點左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調制效應，則近似認為若忽略溝道長度調制效應，則近似認為l 不變（即不變（即R Ronon不變）。不變）。因此預夾斷后：因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AV VDS DS I ID D 基本維持基本維持不變。（飽和）不變。（飽和） 若考慮溝道長度調制效應若考慮溝道長度調制效應則

9、則VDS 溝道長度溝道長度l 溝道電阻溝道電阻Ron略略 。因此因此 VDS ID略略 。由上述分析可描繪出由上述分析可描繪出ID隨隨VDS 變化變化的關系曲線：的關系曲線：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。飽和區(qū)飽和區(qū)預夾斷點預夾斷點可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) MOS管僅依靠一種載流子（多子）導電，故管僅依靠一種載流子（多子）導電，故稱稱單極型器件。單極型器件。 三極三極管中多子、少子同時參與導電，故稱管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極雙極型器件。型器件。 利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應，通過柵

10、源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：工作原理： 由于由于MOS管柵極電流管柵極電流為零，故不討論輸入特為零，故不討論輸入特性曲線。性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：共源組態(tài)特性曲線：ID= f ( VGS )VDS = 常數常數轉移特性：轉移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常數常數輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - - 轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，轉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

11、以相互轉換。它們之間可以相互轉換。 NEMOS管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區(qū)非飽和區(qū)特點：特點：ID同時受同時受VGS與與VDS的控制。的控制。當當VGS為常數時，為常數時，VDSID近似線性近似線性 ，表現(xiàn)為一種電阻特性；，表現(xiàn)為一種電阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V當當VDS為常數時，為常數時，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。溝道預夾斷前對應的工作區(qū)。條件：條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考

12、慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨隨VDS 的的增加略有上翹。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)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。數學模型：數學模型：若考慮溝道長度調制效應，則若考慮溝道長度調制效應，則ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在飽和區(qū)時，飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服從平方律關系式：從平方律關系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱溝道長度調制系數，

13、其值與稱溝道長度調制系數，其值與l 有關。有關。通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -1q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：相當于相當于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件： VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大到一定值時增大到一定值時漏襯漏襯PN結雪崩擊穿結雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管擊穿擊穿。 由于由于MOS管管COX

14、很小，因此當帶電物體（或人）很小，因此當帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產生絕緣層中將產生很大的電壓很大的電壓VGS(=Q /COX)，使絕緣層擊穿，造成使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞管永久性損壞。MOS管保護措施：管保護措施：分立的分立的MOS管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：集成電路：TD2D1D1 D2一方面限制一方面限制VGS間間最大電壓，同時對感最大電壓，同時對感 生生電荷起旁路作用。電荷起旁路作用。q 襯底效應襯底效應 集成電路中，許多集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為

15、保證管做在同一襯底上，為保證U與與S、D之間之間PN結反偏，襯底應接電路最低電位（結反偏，襯底應接電路最低電位（N溝道）或最高電溝道）或最高電位（位（P溝道）。溝道）。 若若| VUS | - - +VUS耗盡層中負離子數耗盡層中負離子數 因因VGS不變（不變（G極正電荷量不變）極正電荷量不變）ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根據襯底電壓對根據襯底電壓對ID的控制作用，又的控制作用，又稱稱U極為極為背柵極。背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中電子數表面層中電子數 q P溝道溝道EMOS管管+ - + - V

16、GSVDS+ - + - NN+P+SGDUP+N溝道溝道EMOS管與管與P溝道溝道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負、零均可。正、負、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與表達式與EMOS管相同管相同。PDMOS與與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。N N溝道增強溝道增強 型型MOSMOS管管N N溝道耗盡溝道耗盡 型型MOSMOS管管P P溝道增強溝道增強 型型MOSMOS管管P P溝道耗盡溝道耗盡 型型MOSMOS管管VGS(t

17、h)q 飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數學模型飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數學模型 VDS極性取決于溝道類型極性取決于溝道類型N溝道：溝道：VDS 0， P溝道溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數學模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數學模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq FETFET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) ) 場效應管場效應管G、S之間開路之間開

18、路 ，IG 0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效為為VBE(on) 。 FET輸出端等效為輸出端等效為壓控電流源壓控電流源，滿足，滿足平方律方程平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控電流源流控電流源，滿足，滿足IC= IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -q MOSMOS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) ) gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- - rds為為場效應管場效應管輸出電阻：

19、輸出電阻： 由于場效應管由于場效應管IG 0，所以輸入電阻所以輸入電阻rgs 。而三極管發(fā)射結正偏，而三極管發(fā)射結正偏，故輸入電阻故輸入電阻rb e較小。較小。)/(1CQceIr與三極管與三極管輸出電阻表達式輸出電阻表達式 相似。相似。)/(1DQdsIrrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e MOS管管跨導跨導QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管三極管跨導跨導CQeQEBCIrvigm5 .38 通常通常MOS管的跨導比管的跨導比三極管的三極管的跨導要小一個跨導要小一個數量級以上，即數量

20、級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。q 計及襯底效應的計及襯底效應的MOS管簡化電路模型管簡化電路模型 考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓vus對漏極電流對漏極電流id的控制作用，小信的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源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，稱背柵跨導，工程上工程上mQusDmugvig 為常數，一般為常數，一般 = 0.1 0.2q MOS管高頻小信號電路模型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，應采當高頻應用、需計及管子極間電容影響時

21、，應采用如下高頻等效電路模型。用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間柵源極間平板電容平板電容漏源極間電容漏源極間電容（漏襯與（漏襯與源襯之間的勢壘電容）源襯之間的勢壘電容）柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容 場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用相似，可以采用估算法估算法分析分析電路直流工作點；采電路直流工作點；采用用小信號等效電路法小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。分析電路動態(tài)指標。 場效應管估算法分析思路與三極管相同，場效應管估算法分析思路與三極管相同，只是由只是由于于兩種

22、管子工作原理不同，從而使外部工作條件有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。定要注意自身特點。q 估算法估算法 MOS管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大模式：飽和（放大）模式飽和（放大）模式非飽和模式非飽和模式（需重新計算（需重新計算Q Q點）點）N溝道管溝道管：VGS VGS(th)截止條件截止條件 非飽和與飽和（放大）模式判斷方法非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)a)由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路VGS與與ID之間關系式

23、。之間關系式。c)c)聯(lián)立解上述方程，聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解選出合理的一組解。d)d)判斷電路工作模式：判斷電路工作模式：若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設成立。假設成立。q 小信號等效電路法小信號等效電路法場效應管小信號場效應管小信號等效電路分析法等效電路分析法與三極管相似。與三極管相似。 利用微變等效電路分析交流指標。利用微變等效電路分析交流指標。 畫交流通路畫交流通路 將將FETFET用小信號電路模型代替用小信號電路模型代替 計算微變參數計算微變參數gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細介紹。注：具體分析將在第四章中詳細介紹。第第8 8次作業(yè)：次作業(yè)：P P130130 3-7 3-7 3-9 3-9q JFET結構示意圖及電路符號結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道溝道JFETP溝道溝道JFETN+N+PGSDq N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)