第3章：場(chǎng)效應(yīng)管

1、 場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的半導(dǎo)體器件體器件, ,也是一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。也是一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡(jiǎn)單，器件特性便于控制，是目前制它體積小、工藝簡(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。 場(chǎng)效應(yīng)管是單極型器件（場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管受溫度的影響小（場(chǎng)效應(yīng)管受溫度的影響?。ㄖ挥卸嘧悠七\(yùn)動(dòng)形成電流只有多子漂移運(yùn)動(dòng)形成電

2、流) )。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(qiáng)型（增強(qiáng)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(qiáng)型（增強(qiáng)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(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反此導(dǎo)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(hào)電路符號(hào)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(dǎo)電溝道形成導(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柵 襯之間襯之間相當(dāng)相當(dāng)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(shè)假設(shè)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(fù)離子負(fù)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(dǎo)電溝道型導(dǎo)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(dǎo)電能力越強(qiáng)。越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層反型層 VDS對(duì)溝道的控制對(duì)溝道的控制（假設(shè)（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變）且保持不變） VDS很小時(shí)很小時(shí) VGD VGS 。此時(shí)此時(shí)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(shí)此時(shí) Ron ID 變慢。變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + -

6、 + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 當(dāng)當(dāng)VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)時(shí)時(shí) A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點(diǎn)左移點(diǎn)左移出現(xiàn)夾斷區(qū)出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)此時(shí) VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l 不變（即不變（即Ron不變）。不變）。因此預(yù)夾斷后：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

7、?；揪S持不變。 若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)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(dǎo)電，故管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)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(shí)參與導(dǎo)電，故稱管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙雙極型器件。極型器件。 利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過柵源電壓利用半導(dǎo)體表面的

8、電場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管同一物理過程，轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn)：特點(diǎn)：ID同時(shí)受同時(shí)受VGS與與VDS的控制。的控制。當(dāng)當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，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(dāng)當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，為常數(shù)時(shí)，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(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)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(yīng)，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在飽和區(qū)時(shí)，飽和區(qū)時(shí)，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(diǎn)：特點(diǎn)：相當(dāng)于相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開。管三個(gè)電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時(shí)的工作區(qū)溝道未形成時(shí)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(shí)到一定值時(shí)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(duì)于對(duì)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(dāng)帶電物體（或人）很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時(shí)，感生電荷在靠近金屬柵極時(shí)，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(hù)措施：管保護(hù)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(shí)對(duì)感最大電壓，同時(shí)對(duì)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(shí)，為常數(shù)時(shí)，VGS對(duì)對(duì)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(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)對(duì)應(yīng)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(fù)、零均可。正、負(fù)、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(dá)式表達(dá)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(hào)及電流流向電路符號(hào)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(xué)模型飽和區(qū)（

15、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(xué)模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCIq FET FET直流簡(jiǎn)化電路模型直流簡(jiǎn)化電路模型( (與三極管相對(duì)照與三極管相對(duì)照) ) 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)通，等效三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)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(dá)式輸出電阻表達(dá)式 相似。相似。q MOS MOS管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型( (與三極管對(duì)照與三極管對(duì)照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds為為場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：輸出電

17、阻： 由于場(chǎng)效應(yīng)管由于場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)跨導(dǎo)QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管三極管跨導(dǎo)跨導(dǎo)CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨導(dǎo)比管的跨導(dǎo)比三極管的三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即數(shù)量級(jí)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(jì)及襯底效應(yīng)的計(jì)及

18、襯底效應(yīng)的MOS管簡(jiǎn)化電路模型管簡(jiǎn)化電路模型 考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓vus對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流id的控制作用，小信的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，稱背柵跨導(dǎo)，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(hào)電路模型管高頻小信號(hào)電路模型 當(dāng)高頻應(yīng)用、需計(jì)及管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)采當(dāng)高頻應(yīng)用、需計(jì)及管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)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(shì)壘電容）源襯之間的勢(shì)壘電容）柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容 場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用相似，可以采用估算法估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采分析電路直流工作點(diǎn)；采用用小信號(hào)等效電路法小信號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 場(chǎng)效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一明顯差異。因此用估算法分析場(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一定要注意自身特點(diǎn)。定要注意自身特點(diǎn)。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(jì)算需重新計(jì)算Q Q點(diǎn)點(diǎn)）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(shè)成立。假設(shè)成立。q 小信號(hào)等效電路法小信號(hào)等效電路法場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路分法與三極管相似。場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)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)。利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。 畫交流通路畫交流通路 將將FETFET用小信號(hào)電路模型代替用小信號(hào)電路模型代替 計(jì)算微變參數(shù)計(jì)算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。q JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)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(diǎn)：特點(diǎn)：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(qiáng)型增強(qiáng)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(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管性能比較場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管性能比較 項(xiàng)目項(xiàng)目 器件器件電極名稱電極名稱工作區(qū)工作區(qū)導(dǎo)導(dǎo)電電類類型型輸輸入入電電阻阻跨跨導(dǎo)導(dǎo)晶體晶體三極三極管管e e極極b b極極