模擬電子線路：第3章 場效應(yīng)管

第3章場效應(yīng)管3.1

MOS場效應(yīng)管3.2結(jié)型場效應(yīng)管3.3場效應(yīng)管與雙極型管比較3.4場效應(yīng)管應(yīng)用原理

第3章場效應(yīng)管場效應(yīng)管有:結(jié)型場效應(yīng)管JFET金屬-氧化物-半導體型場效應(yīng)管MOSFET3.1MOS場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管分：增強型EMOS，又分N管和P管耗盡型DMOS，又分N管和P管電路符號：P溝道耗盡型P溝道增強型N溝道增強型N溝道耗盡型N+N+P+P+PUSGD3.1.1

EMOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

N溝道EMOSFET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S(Source)D(Drain)G(Gate)第3章場效應(yīng)管

3.1.2EMOS場效應(yīng)管工作原理(N溝道)

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襯底表面層中負離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層n>>pVGS

越大，反型層中n

越多，導電能力越強。反型層第3章場效應(yīng)管

VDS

對溝道的控制(假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變)

VDS

很小時→VGDVGS。此時W

近似不變，即Ron

不變。由圖

VGD=VGS-VDS因此VDS→ID

線性

。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章場效應(yīng)管當VDS

增加到使VGD=VGS(th)

時→A點出現(xiàn)預夾斷若VDS

繼續(xù)→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)因此預夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS基本上都降落在夾斷區(qū)

→ID

基本維持不變。

第3章場效應(yīng)管若考慮溝道長度調(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。

場效應(yīng)管第3章場效應(yīng)管

MOS管僅依靠一種載流子(多子)導電，故稱單極型器件。三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。利用半導體表面的電場效應(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：第3章場效應(yīng)管3.1.3EMOS場效應(yīng)特性由于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：

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3章場效應(yīng)管

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點：ID

同時受VGS

與VDS

的控制。當VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；當VDS為常數(shù)時，VGSID，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。

ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V第3章場效應(yīng)管飽和區(qū)特點：

ID

只受VGS

控制，而與VDS

近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預夾斷后對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)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。注意：飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應(yīng)三極管的放大區(qū)。場效應(yīng)管數(shù)學模型：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：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截止區(qū)特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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

0

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3章場效應(yīng)管靜電保護：當帶電物體或人靠近金屬柵極時，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。第3章場效應(yīng)管襯底效應(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，其間就會作用著負值的電壓vUS

，P型硅襯底中的空間電荷區(qū)將向襯底底部擴展，VGS(th)

相應(yīng)增大。因而，在vGS一定時，iD就減小?？梢姡瑅US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比vGS小。第3章場效應(yīng)管3.1.4耗盡型MOS場效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時，導電溝道已存在對比增強型？溝道線是實線第3章場效應(yīng)管

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>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3章場效應(yīng)管3.1.5場效應(yīng)管等效電路一、大信號模型

非飽和區(qū)：

vDS很小，忽略二次項

飽和區(qū)：

vDS=vGSvGS(th)

計及溝道長度調(diào)治效應(yīng)MOS管看作電壓控制電流源：溝道長度調(diào)制系數(shù)第3章場效應(yīng)管

例

在下圖所示N溝道EMOS管電路中，已知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子參數(shù)為CoxW/(2l)＝0.25

mA/V2，VGS(th)＝2V，試求ID。解

設(shè)MOS管工作在飽和區(qū)，舍去第3章場效應(yīng)管例2.單電源供電的N溝道DMOS管電路，已知，RG＝1M，RS＝4k，RD＝5k，VDD＝5V，管子參數(shù)為nCoxW/（2l）＝0.25mA/V2，VGS(th)＝-2V，求ID。解得ID＝0.25mA和1mA。顯然ID＝1mA應(yīng)舍去。取ID＝0.25mA，求得第3章場效應(yīng)管二、小信號模型

1．飽和區(qū)小信號模型

MOS管:三極管:

直流工作點電流改變相同量時，三極管的跨導變化比MOS管更快。第3章場效應(yīng)管計及溝道長度調(diào)制效應(yīng)與得到的結(jié)果一致第3章場效應(yīng)管考慮襯底效應(yīng)：表示為電壓控制電壓源：gmu為襯底跨導，也稱背柵跨導第3章場效應(yīng)管高頻小信號模型：LOV是根據(jù)經(jīng)驗值推導得到的柵極與源極或漏極交疊長度為柵極與襯底之間電容。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。當源極和襯底相連時，MOS管高頻小信號模型可以簡化為：源極和襯底相連第3章場效應(yīng)管2．非飽和區(qū)小信號模型

工作于非飽和區(qū)的MOS場效應(yīng)管的低頻小信號模型等效為一個電阻

高頻小信號模型:第3章場效應(yīng)管

飽和區(qū)(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N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0

VGS

極性取決于工作方式及溝道類型增強型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。

飽和區(qū)數(shù)學模型與管子類型無關(guān)四種MOS管比較名稱N溝道P溝道EMOSDMOSEMOSDMOS電路符號非飽和區(qū)飽和區(qū)轉(zhuǎn)移特性第3章場效應(yīng)管3.2結(jié)型場效應(yīng)管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(動畫)SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第3章場效應(yīng)管

VGS

對溝道寬度的影響(動畫)|VGS|

阻擋層寬度若|VGS|

繼續(xù)溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron第3章場效應(yīng)管

VDS

很小時→VGDVGS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

VDS

對溝道的控制(假設(shè)VGS一定)(動畫)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W

近似不變即Ron

不變第3章場效應(yīng)管當VDS

增加到使VGD=VGS(off)

時→A點出現(xiàn)預夾斷若VDS

繼續(xù)→A點下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG

+VGS

=-VGS(off)+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)。因此預夾斷后：VDS→ID

基本維持不變。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第3章場效應(yīng)管利用半導體內(nèi)的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。JFET工作原理：綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應(yīng)控制電流，不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。第3章場效應(yīng)管

NJFET輸出特性非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點：ID

同時受VGS

與VDS

的控制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2

伏安特性曲線線性電阻：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第3章場效應(yīng)管飽和區(qū)(放大區(qū))特點：ID

只受VGS

控制，而與VDS

近似無關(guān)。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(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。

場效應(yīng)管第3章場效應(yīng)管截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG

0，ID=0

擊穿區(qū)VDS

增大到一定值時近漏極PN結(jié)雪崩擊穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID

劇增。VGS

越負則VGD

越負相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS

越小第3章場效應(yīng)管

JFET轉(zhuǎn)移特性曲線同MOS管一樣，JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到(略)。

ID=0時對應(yīng)的VGS

值夾斷電壓VGS(off)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N溝道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P溝道JFET

)VGS=0時對應(yīng)的ID

值飽和漏電流IDSS。第3章場效應(yīng)管

JFET電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學模型不同，因此，跨導計算公式不同。

JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源極)(直流電路模型)(小信號模型)利用得第3章場效應(yīng)管3.3場效應(yīng)管與雙極型管比較１）．FET是電壓控制元件，BJT是電流控制元件．２)．FET是單極型，BJT是雙極型．３)．FET的輸入電阻大，BJT的輸入電阻小４)．FET低功耗．易集成，BJT功耗大．不易集成．第3章場效應(yīng)管場效應(yīng)管與三極管性能比較項目

器件電極名稱工作區(qū)導電類型輸入電阻跨導三極管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小大場效應(yīng)管s極g極d極飽和區(qū)非飽和區(qū)單極型大小第3章場效應(yīng)管

N溝道EMOS管GD相連構(gòu)成有源電阻3.4.1有源電阻3.4場效應(yīng)管應(yīng)用原理v=vDS=vGS，i=iD由圖知滿足vDS

>

vGS

–vGS(th)因此當vGS>vGS(th)時N溝道EMOS管工作在飽和區(qū)。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流電阻：(小)交流電阻：(大)Tvi+-+-vRi第3章場效應(yīng)管

N溝道DMOS管GS相連構(gòu)成有源電阻v=vDS

，vGS

=0

，i=iD由圖因此，當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。由得知當vGS

=0

時，電路近似恒流輸出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi

場效應(yīng)管第3章場效應(yīng)管有源電阻構(gòu)成分壓器若兩管n、

COX、VGS(th)相同，則聯(lián)立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由圖I1=I2V1+

V2=

VDDV1+

V2=

VDD調(diào)整溝道寬長比(W/l)，可得所需的分壓值。第3章場效應(yīng)管3.4.2MOS開關(guān)NMOS管工作在非飽和區(qū)，導通電阻：由于vGSvG-vI，vGS隨著vI的增大而減小，使Ron增大，當vGS接近VGS(th)