模擬電子線路3.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管

3.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強(qiáng)型（EMOS）

耗盡型（DMOS）

Metal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。VGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；VGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于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。3.1.1增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖N+N+P+P+PUSGD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(hào)l溝道長(zhǎng)度W溝道寬度源極S(Source)漏極D（Drain）襯底引線U柵極G(Gate)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0

(保證柵漏PN結(jié)反偏)。U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。VGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用VGS

來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析：(1)VGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SUD

N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設(shè)VDS=0，討論VGS作用VGG(2)

VDS=0，0<VGS<VGS(th)

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。(3)

VDS=0，VGS≥VGS(th)

進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（稱為開(kāi)啟電壓)，此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。VGGVGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閂DS=0，所以ID=0。VGS(th)為開(kāi)始形成反型層所需的VGS，稱開(kāi)啟電壓。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(fù)離子、電子VGS開(kāi)啟電壓VGS(th)形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變）VDS很小時(shí)

→

VGDVGS。此時(shí)溝道深度近似不變，即Ron不變。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(shí)Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷

若VDS繼續(xù)→A點(diǎn)左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為l

不變（即Ron不變）。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。

若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則VDS→溝道長(zhǎng)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：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類(lèi)似三極管輸出特性。MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。

三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。

利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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：

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+TVDSIG0VGSID+--

轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。

NEMOS管輸出特性曲線

非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGSID，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)。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)。

數(shù)學(xué)模型：此時(shí)MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時(shí)，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中：W、l為溝道的寬度和長(zhǎng)度。COX

（=/OX）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。

飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類(lèi)似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)

考慮到溝道長(zhǎng)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)（又稱放大區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：

工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：其中：稱溝道長(zhǎng)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(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開(kāi)。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時(shí)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(shí)漏襯PN結(jié)雪崩擊穿

ID劇增。VDS溝道l對(duì)于l較小的MOS管穿通擊穿。

由于MOS管COX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SiO2絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護(hù)措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1D2一方面限制VGS間最大電壓，同時(shí)對(duì)感生電荷起旁路作用。

NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)=3VVDS

=5V

轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時(shí)，VGS對(duì)ID的控制作用,可由輸出特性轉(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,ID=0時(shí)對(duì)應(yīng)的VGS值,即開(kāi)啟電壓VGS（th）。

襯底效應(yīng)

集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證U與S、D之間PN結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位（N溝道）或最高電位（P溝道）。若|VUS|-+VUS耗盡層中負(fù)離子數(shù)因VGS不變（G極正電荷量不變）IDVUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓對(duì)ID的控制作用，又稱U極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻擋層寬度表面層中電子數(shù)

P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID流向相反。不同之處：電路符號(hào)中的箭頭方向相反。ID3.1.2耗盡型MOS場(chǎng)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(shí)，導(dǎo)電溝道已存在溝道線是實(shí)線

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS>0，VGS

正、負(fù)、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(dá)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。3.1.3四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)

飽和區(qū)（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(lèi)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(lèi)型增強(qiáng)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(xué)模型與管子類(lèi)型無(wú)關(guān)

臨界飽和工作條件

非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）工作條件|VDS|=|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型FET直流簡(jiǎn)化電路模型(與三極管相對(duì)照)

場(chǎng)效應(yīng)管G、S之間開(kāi)路，IG0。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：

三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=

IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-3.1.4小信號(hào)電路模型MOS管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型(與三極管對(duì)照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：

由于場(chǎng)效應(yīng)管IG0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達(dá)式相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbeMOS管跨導(dǎo)利用得三極管跨導(dǎo)

通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即MOS管放大能力比三極管弱。

計(jì)及襯底效應(yīng)的MOS管簡(jiǎn)化電路模型

考慮到襯底電壓vus對(duì)漏極電流id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gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上為常數(shù)，一般=0.1~0.2MOS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)采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容（漏襯與源襯之間的勢(shì)壘電容）柵漏極間平板電容

場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點(diǎn)；采用小信號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.5MOS管電路分析方法

場(chǎng)效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，