第3章：場效應管

1、 場效應管是一種利用電場效應來控制電流的半導場效應管是一種利用電場效應來控制電流的半導體器件體器件, ,也是一種具有正向受控作用的半導體器件。也是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。造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。 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（場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件三極管是雙極型器件）。）。 場效應管受溫度的影響?。▓鲂苁軠囟鹊挠绊懶。ㄖ挥卸嘧悠七\動形成電流只有多子漂移運動形成電

2、流) )。絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管MOSFET結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管JFETP P溝道溝道N N溝道溝道P P溝道溝道N N溝道溝道P P溝道溝道N N溝道溝道耗盡型（耗盡型（DMOS）增強型（增強型（EMOS） 溝道溝道：指載流子流通的渠道、路徑。指載流子流通的渠道、路徑。N溝道溝道是指是指以以N型材料構(gòu)成的區(qū)域型材料構(gòu)成的區(qū)域作為載流子流通的路徑；作為載流子流通的路徑；P溝道溝道指以指以P型材料構(gòu)成的區(qū)域型材料構(gòu)成的區(qū)域作為載流子流通的路徑。作為載流子流通的路徑。P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

3、（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(zhì)不同，因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(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)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(jié)反偏結(jié)反偏) )

4、。 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(jié)反偏結(jié)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 襯之間襯之間相當相當于以于以SiO2為介質(zhì)為介質(zhì)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 =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(jié)相通結(jié)相通VGS 襯底表面層中襯底表面層中負離子負離子 、電子、

5、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 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 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時 Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + -

6、 + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當當VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時時 A點出現(xiàn)預夾斷點出現(xiàn)預夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) 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(diào)制效應，則近似認為若忽略溝道長度調(diào)制效應，則近似認為l 不變（即不變（即Ron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- + - + AVDS ID 基本維持不變

7、?；揪S持不變。 若考慮溝道長度調(diào)制效應若考慮溝道長度調(diào)制效應則則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(guān)系曲線：的關(guān)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。 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，故稱雙雙極型器件。極型器件。 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

8、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(shù)常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：轉(zhuǎn)移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常數(shù)常數(shù)輸出特性：輸出特性：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管同一物理過程，轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應管同一物理

9、過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。它們之間可以相互轉(zhuǎn)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(shù)時，為常數(shù)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(shù)時，為常數(shù)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 VGSV

10、GS(th) 考慮到溝道長度調(diào)制效應，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(diào)制效應，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。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)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管的放大區(qū)。數(shù)學模型：數(shù)學模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應，則若考慮溝道長度調(diào)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(guān)系式：從平方律關(guān)系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱稱溝

11、道長度調(diào)制系數(shù)，其值與溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l 有關(guān)。有關(guān)。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增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯PN結(jié)雪崩擊穿結(jié)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管管穿通擊穿。穿通擊穿。

12、由于由于MOS管管COX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(chǎn)生絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓很大的電壓VGS(=Q /COX)，使使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，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。 NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)

13、= 3VVDS = 5V 轉(zhuǎn)移特性曲線反映轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，為常數(shù)時，VGS對對ID的控制作的控制作用用, ,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到?？捎奢敵鎏匦赞D(zhuǎn)換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 轉(zhuǎn)移特性曲線中轉(zhuǎn)移特性曲線中, ,ID = =0 時對應的時對應的VGS值值, ,即開啟即開啟電壓電壓VGS（th） 。q P溝道溝道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - SGUDNN+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

14、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表達式表達式與與EMOS管管相同相同。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。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IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q 飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學模型飽和區(qū)（

15、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極性取決于溝道類型N溝道：溝道：VDS 0， P溝道溝道：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(shù)學模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq FET 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) ) 場效應管場效應管G、S之間開路之間開路 ，IG 0。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導通，等效三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導通，等效為為VB

16、E(on) 。 FET輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足IC= IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -ceEQ1/()rI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。q MOS 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為為場效應管場效應管輸出電阻：輸出電

17、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(jié)正偏，而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻故輸入電阻rb e較小。較小。)/(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CQeQEBC5 .38 Irvigm 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(shù)量級以上，即數(shù)量級以上，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

18、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(shù)，為常數(shù)，一般一般 = 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，應采用如下高頻等效電路模型。用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidv

19、gs- -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電路直流工作點；采分析電路直流工作點；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

20、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：放大模式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(guān)系式。之間關(guān)系式。c)c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)d)判斷

21、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等效電路分法與三極管相似。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。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(shù)計算微變參數(shù)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。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+NGS

22、DN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(jié)反偏結(jié)反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，JFET的的ID與與VGS之間也滿足平方律關(guān)系，但由之間也滿足平方律關(guān)系，但由于于JFET與與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。方程不同。q 截止區(qū)截止區(qū)特點：特點：溝道全夾斷的工作區(qū)溝道全夾斷的工作區(qū)條件：條件： VGS 0，ID流入管子漏極。流入管子漏極。 P溝道溝道FET：VDS 0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off )VGS(th)VGS(th)VGS(off )P：VDS 0 ID(mA)VGS (V)增強型增強型MOS管管： VGS 與與VDS 極性相同極性相同。耗盡型耗盡型MOS管管： VGS 取值任意取值任意。結(jié)型結(jié)型FET管管： VGS與與VDS極性相反極性相反。q 場效應管與晶體三極管性能比較場效應管與晶體三極管性能比較 項目項目 器件器件電極名稱電極名稱工作區(qū)工作區(qū)導導電電類類型型輸輸入入電電阻阻跨跨導導晶體晶體三極三極管管e e極極b b極極