電子技術(shù)03場效應(yīng)管

1、場效應(yīng)管有:結(jié)型場效應(yīng)管JFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管MOSFET3.1 MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管分： 增強(qiáng)型EMOS ，又分N管和P管耗盡型DMOS，又分N管和P管電路符號(hào)：P 溝道耗盡型P 溝道增強(qiáng)型N 溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型 N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上覆蓋一層金屬鋁作為柵極G(目前多采用多晶硅)。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。3.1.1 EMOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu) 通常情況下

2、，源極一般都與襯底極相連；正常工作時(shí)，作為源、漏區(qū)的兩個(gè)N+區(qū)與襯底之間的PN結(jié)必須外加反偏電壓。一、一、截止區(qū)與溝道形成截止區(qū)與溝道形成0GSvGS(th)GSVvGS(th)GSVvVGS(th): 開啟電壓，是開始形成反型層所需的vGS值。SiO2絕緣層越薄，兩個(gè)N+區(qū)的摻雜濃度越高，襯底摻雜濃度越低，VGS(th)越小。 3.1.2 EMOS場效應(yīng)管工作原理場效應(yīng)管工作原理(N溝道溝道) 二、二、vGSVGS(th)，0vDSVGS(th)，vDSvGSVGS(th) 柵極和溝道的壓差在近源端最大，在近漏端最小，vGDvGS-vDS ，因此溝道呈錐形分布，電流同時(shí)受vGS和vDS控制。

3、當(dāng) vDS=vGS-VGS(th)時(shí)，近漏端溝道夾斷。夾斷后，溝道長度幾乎不變，且vGAVGS(th)，vASvGS-VGS(th) ，溝道電流iD不再隨vDS的變化而變化，只受vGS控制。但若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)(夾斷點(diǎn)A會(huì)隨著vDS的增加而向源極移動(dòng))，當(dāng)vGS 一定時(shí)，iD會(huì)隨著vDS的增加而略微增加。工作原理總結(jié)工作原理總結(jié)通過上面討論可以看到(ENMOS)：VGS(th)是溝道剛形成時(shí)所需的VGS，與N+和襯底的攙雜濃度,Gate下SiO2的厚度，溫度等因素有關(guān)；VGS控制MOS管的導(dǎo)電溝道深度， VGS越大，溝道越深，導(dǎo)電能力越強(qiáng)， VGS對溝道電流的控制是MOS管的主要受控作用，

4、也是實(shí)現(xiàn)放大器的基礎(chǔ)；VGS一定，滿足VGS VGS(th),在VDSVGS VGS(th) 時(shí)，夾斷點(diǎn)到的電壓不變，溝道長度和形狀幾乎不變，溝道電流也幾乎不變，但考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則電流會(huì)有略微的上升；NMOS管是依靠多子電子一種載流子導(dǎo)電的，而晶體三極管中有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電；MOS管是對稱器件, 源漏極可以互換。3.1.3 EMOS場效應(yīng)特性場效應(yīng)特性 一、一、伏安特性伏安特性 常數(shù)DS| )(GS1SDvvfi轉(zhuǎn)移特性曲線常數(shù)GS| )(DS2SDvvfi輸出特性曲線非飽和區(qū)：vGSVGS(th) 0vDSVGS(th) vDSvGSVGS(th) 截止區(qū)： iD=0擊穿

5、區(qū)： vDS過大引起雪崩擊穿和穿通擊穿，vGS過大引發(fā)柵極擊穿亞閾區(qū)：亞閾區(qū)：vGSVGS(th)時(shí)，iD不會(huì)突變到零，但其值很小(A量級(jí))。通常將VGS(th)附近的很小區(qū)域(VGS(th)100mV)稱為亞閥區(qū)或弱反型層區(qū)。靜電保護(hù)：靜電保護(hù)：當(dāng)帶電物體或人靠近金屬柵極時(shí)，瞬間產(chǎn)生過大的柵源電壓vGS，引發(fā)SiO2絕緣層擊穿，從而造成器件永久性損壞。為防止這種損壞，MOS集成電路的輸入級(jí)器件常常在其柵源極間接入兩只背靠背的穩(wěn)壓二極管，利用穩(wěn)壓管的擊穿特性，限制由感生電荷產(chǎn)生的vGS值。二、二、襯底效應(yīng)襯底效應(yīng) 某些MOS管的源極不能處在電路的最低電位上，則其源極與襯底不能相連，其間就會(huì)作用

6、著負(fù)值的電壓vBS ，P型硅襯底中的空間電荷區(qū)將向襯底底部擴(kuò)展，VGS(th) 相應(yīng)增大。因而，在vGS一定時(shí)，iD就減小。可見，vBS和vGS一樣，也具有對iD的控制作用，故又稱襯底電極為背柵極，不過它的控制作用遠(yuǎn)比vGS小。 3.1.4 DMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管一、一、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 二、二、伏安特性伏安特性 (NDMOS)耗盡型MOS管在襯底表面擴(kuò)散一薄層與襯底導(dǎo)電類型相反的摻雜區(qū)，作為漏、源區(qū)之間的導(dǎo)電溝道，vGS0時(shí)導(dǎo)電溝道已形成。N溝道DMOS的VGS(th) 0。二者伏安特性相似，僅是電壓極性和電流方向相反。 3.1.5 場效應(yīng)管等效電路場效應(yīng)管等效電路一、一、大信號(hào)模型大信號(hào)模型 )

7、(222DSDSGS(th)GSoxnDvvVvlWCiDSGS(th)GSoxnD)(vVvlWCi2GS(th)GSoxnD)(2VvlWCi)1 ()(2)1 ()(2DS2GS(th)GSoxnADS2GS(th)GSoxnDvVvlWCVvVvlWCi非飽和區(qū)：非飽和區(qū)： vDS很小，忽略二次項(xiàng) 飽和區(qū)：飽和區(qū)： vDS=vGSvGS(th) 計(jì)及溝道長度調(diào)制效應(yīng) MOS管看作電壓控制電流源：溝道長度調(diào)制系數(shù) 例例 在下圖所示N溝道EMOS管電路中，已知RG11.2 M，RG20.8 M，RS4 k，RD10 k，VDD20 V，管子參數(shù)為CoxW/(2l)0.25 mA/V2，VG

8、S(th)2 V，試求ID。 解解 (V) 88 . 02 . 18 . 020G2G1G2DDGRRRVV0GI 4DSDSIRIV2D2GS(th)GSoxnD)248(25. 0)(2IVVlWCI設(shè)MOS管工作在飽和區(qū) 16523602IIDDmA 1mA 25. 2D2D1II0 ,V9GSSVVV 6 V, 4DSGSVV，舍去mA 1DI二、二、小信號(hào)模型小信號(hào)模型 1飽和區(qū)小信號(hào)模型飽和區(qū)小信號(hào)模型 MOS管:三極管: 直流工作點(diǎn)電流改變相同量時(shí)，三 極 管 的 跨 導(dǎo) 變 化 比MOS管更快。在數(shù)值上，直流工作點(diǎn)電流相同時(shí) ， 三 極 管 的 跨 導(dǎo) 變 化 比MOS管大。D

9、QmIgCQmIg計(jì)及溝道長度調(diào)制效應(yīng)計(jì)及溝道長度調(diào)制效應(yīng)QDDSdsivr與得到的結(jié)果一致考慮襯底效應(yīng)：考慮襯底效應(yīng)：mQbsDmbgvig表示為電壓控制電壓源：表示為電壓控制電壓源：dsmgsdsgsmrgvrvggmb為襯底跨導(dǎo)，也稱背柵跨導(dǎo)高頻小信號(hào)模型：高頻小信號(hào)模型：),32(OVoxgsLlWCCOVoxgdWLCCLOV是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值推導(dǎo)得到的柵極與源極或漏極交疊長度。 gbC為柵極與襯底之間電容。sbdb,CC 分別是漏區(qū)與襯底和源區(qū)與襯底之間PN結(jié)的勢壘電容。當(dāng)源極和襯底相連時(shí)，MOS管高頻小信號(hào)模型可以簡化為：源極和襯底相連gdgsmTCCgMOS管截止頻率：2非飽和區(qū)小信

10、號(hào)模型非飽和區(qū)小信號(hào)模型 )1( )1( |/1|GS(th)GSQoxnDSQGS(th)GSQoxnQDSDQDDSdsVVWClVVVWClviivr工作于非飽和區(qū)的MOS場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型等效為一個(gè)電阻 2oxgdgsWlCCC高頻小信號(hào)模型:n溝道溝道：襯底接最低電位， iD為電子電流， vDS0，vGS正向增加，iD增加；n溝道溝道：襯底接最高電位，iD為空穴電流， vDS0，vGS負(fù)向增加，iD增加。n二者的大信號(hào)和小信號(hào)等效模型相同；n目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，適用于計(jì)算機(jī)仿真，該模型已成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3.1.7 器件小結(jié)器件小結(jié)四種四種MOS管比

11、較管比較名稱N溝道P溝道EMOSDMOSEMOSDMOS電路符號(hào)非飽和區(qū)飽和區(qū)轉(zhuǎn)移特性)(222DSDSGS(th)GSoxDvvVvlWCi2oxDGSGS(th)DS() (1)2C WivVvl3.2 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 P溝道JFETN溝道JFET3.2.1 工作原理工作原理溝道JFET：正常工作時(shí)，P+N結(jié)反偏，阻擋層主要向低攙雜的區(qū)擴(kuò)展，在vDS的作用下形成電流iD。攙雜濃度越低，VGS(off)越大（絕對值越?。?。隨著vDS的增加，近漏端被夾端時(shí)，JFET溝道的導(dǎo)電能力受vGS和vDS的控制與MOS相似。DSGSGS(off)GDvvVv非飽和區(qū)飽和區(qū)溝道未形成溝道形成3.

12、2.2 伏安特性曲線伏安特性曲線輸出特性曲線：輸出特性曲線：GS(off)DSGS(off)GS(off)GSDSS2GS(off)DSGS(off)DSGS(off)GS(off)GSDSSD22VVVVVIVVVVVVVII一、非飽和區(qū)一、非飽和區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線二、飽和區(qū)二、飽和區(qū)2GS(off)GS(off)GSDSSDVVVIIADS2GS(off)GS(off)GSDSSDV1VVVVII計(jì)及溝道長度調(diào)制效應(yīng)JFET看作壓控電流源 三、截止區(qū)三、截止區(qū)四、擊穿區(qū)四、擊穿區(qū)vGSVGS(off) ，iD=0 隨著vDS增加，近漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，vGS越負(fù)，V(BR)DS越小 3.3

13、 場效應(yīng)管應(yīng)用原理場效應(yīng)管應(yīng)用原理3.3.1 有源電阻有源電阻注意區(qū)分有源電阻的直流電阻和交流電阻。2GS(th)GSOXnD)(2VvlWCi用有源電阻接成的分壓器： 22noxnox11GS(th)22GS(th)() ()() ()22CCWWVVVVll若兩管工藝參數(shù)相同，則 VVV12DDVVWlWlVWlWl2DD21GS(th)21(/ )(/ )(/ )(/ )113.3.2 MOS開關(guān)開關(guān)NMOS管工作在非飽和區(qū)，導(dǎo)通電阻：)(/GS(th)GSoxnonVvCWlR由于vGSvG-vI，vGS隨著vI的增大而減小，使Ron增大，當(dāng)vGS接近VGS(th)時(shí)，Ron迅速增大。

14、同理，若采用PMOS開關(guān)，Ron隨著vI的減小而增加。NMOS導(dǎo)通電阻CMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻MOS開關(guān)應(yīng)用舉例：開關(guān)電容電路開關(guān)應(yīng)用舉例：開關(guān)電容電路iqTC vvT 12()S1和S2輪流導(dǎo)通，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)從輸入端到輸出端的平均電流為該開關(guān)電容電路可等效為一個(gè)電阻RTCfC13.3.3 邏輯門電路邏輯門電路一、一、CMOS反相器反相器邏輯符號(hào) 電路二、二、CMOS或非門或非門 邏輯符號(hào) 電路三、三、CMOS與非門與非門 邏輯符號(hào) 電路四、四、CMOS傳輸門傳輸門 邏輯符號(hào) 電路五、鎖存器五、鎖存器 結(jié)構(gòu)圖 電路圖 器件部分小結(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)了解了解：本征半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征激發(fā) 摻雜 漂移、擴(kuò)散 本征熱平衡載流子濃度 質(zhì)量作用定律 電中性方程 了解了解：PN結(jié)的形成 二極管特點(diǎn) 單向?qū)щ娦?掌握掌握：PN結(jié)的特性 V-I 擊穿 電容 溫度 開關(guān) 二極管模型二極管二極管三極管三極管 了解了解：三極管結(jié)構(gòu)