電子線性電路第3章場效應管

第三章場效應管概述場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它比BJT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。場效應管與三極管主要區(qū)別：后述。場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。三極管Ri不高，在許多場所不能滿足要求。場效應管是單極型器件〔三極管是雙極型器件〕。FET靠半導體中的多數(shù)載流子導電，又稱單極型晶體管。三極管是兩種載流子導電。FET優(yōu)點：輸入電阻大〔Ri>107Ω～1012Ω〕、噪音低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射才干強、體積小、工藝簡單，便于集成，因此運用廣泛。主要用于高輸入阻抗放大器的輸入級。場效應管：壓控電流源器件〔ID=gmVGS〕。三極管：流控電流源器件〔IC=IB〕。FET利用輸入回路的電壓〔電場效應〕來控制輸出回路電流的器件，故此命名。概述3.1MOS場效應管P溝道〔P-EMOS〕N溝道〔N-EMOS〕P溝道〔P-DMOS〕N溝道〔N-DMOS〕MOSFET加強型〔E〕耗盡型〔D〕N-MOS管與P-MOS管任務原理類似，不同之處僅在于它們構成電流的載流子性質不同，因此，導致加在各極上的電壓極性相反。JFET結型N溝道P溝道N-JFETP-JFET分類：金屬氧化物場效應管〔IGFET絕緣柵型〕N+N+P+P+PBSGD3.1.1N溝道加強型MOS場效應管N-EMOSFET構造表示圖源極漏極襯底極SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGBD電路符號l溝道長度W溝道寬度MOS管外部任務條件:兩個PN結反偏。N-EMOS管為：VDS>0(保證柵漏PN結反偏)。B接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結反偏)。VGS>0(構成導電溝道)。1、由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物-半導體場效應管(M-O-S)。2、柵極有SiO2絕緣層，或簡稱I-G-FET場效應管。3.1.1N溝道加強型〔EMOS〕管闡明①MOS管襯底普通與源極相連運用；②柵極和襯底間構成電容。一.任務原理1、溝道構成原理。(1)設VDS=0，當VGS=0時，iD=0。圖(a)3.1絕緣柵型場效應管〔MOS管〕柵襯之間相當于以SiO2為介質的平板電容器。(2)當VGS>0時，VGS對溝道導電才干的控制造用。圖(b)假設VGS>0〔正柵源電壓〕耗盡層，如圖(b)所示。(3)開啟電壓VGS(th)：使溝道剛剛構成的柵源電壓。VGS反型層加厚溝道電阻變小。當VGS耗盡層加寬反型層N型導電溝道，如圖(C)所示。反型層VGS越大，反型層中n越多，導電才干越強。2、當VGS>VGS(th)且一定時，VDS對溝道導電才干iD的影響。VDSVGD溝道變窄假設VGD=VGS(th)預夾斷VDS〔假設VGS>VGS(th)且堅持不變〕VDS夾斷區(qū)加長，溝道變短預夾斷前：d—s間呈電阻特性預夾斷后：VGD<VGS(th)iD略有添加VDS→ID根本維持不變。假設忽略溝道長度調制效應,那么近似以為l不變(即Ron不變)。因此，預夾斷后：3、假設思索溝道長度調制效應那么VDS→溝道長度L略→→溝道電阻Ron略。因此，VDS→ID略。由上述分析可描畫出ID隨VDS變化的關系曲線：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線外形類似三極管輸出特性。MOS管僅依托一種載流子〔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〔BJT〕。利用半導體外表的電場效應，經(jīng)過柵源電壓VGS的變化，改動感生電荷的多少，從而改動〔感生〕導電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET任務原理：

總圖：N—EMOSFET任務原理任務原理總結經(jīng)過上面討論可以看到(ENMOS)：VGS(th)是溝道剛構成時所需的VGS，與N+和襯底的攙和濃度,Gate下SiO2的厚度，溫度等要素有關；VGS控制MOS管的導電溝道深度，VGS越大，溝道越深，導電才干越強，VGS對溝道電流的控制是MOS管的主要受控作用，也是實現(xiàn)放大器的根底；VGS一定，滿足VGS>VGS(th),在VDS<VGSVGS(th)時,隨著VDS的添加，由于溝道沒有夾斷，溝道電阻變化不大，溝道電流呈線性添加，當VDS>VGSVGS(th)時，夾斷點到Ｓ的電壓不變，溝道長度和外形幾乎不變，溝道電流也幾乎不變，但思索溝道長度調制效應，那么電流會有略微的上升；NMOS管是依托多子電子一種載流子導電的，而晶體三極管中有多子和少子兩種載流子參與導電；MOS管是對稱器件,源漏極可以互換。3.1.3EMOS場效應特性一、伏安特性轉移特性曲線輸出特性曲線非飽和區(qū)：vGS>VGS(th)0<vDS<vGS－VGS(th)飽和區(qū)：vGS>VGS(th)vDS>vGS－VGS(th)截止區(qū)：iD=0擊穿區(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+TVDSIG0VGSID+--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；ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當VDS為常數(shù)時，VGSID，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預夾斷前對應的任務區(qū)。條件：VGS>VGS(th)VDS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。數(shù)學模型：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管任務在非飽區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關系：其中，W、l為溝道的寬度和長度。COX(=/OX)為單位面積的柵極電容量。留意：非飽和區(qū)相當于三極管的飽和區(qū)。飽和區(qū)特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關，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溝道預夾斷后對應的任務區(qū)。條件：VGS>VGS(th)VDS>VGS–VGS(th)思索到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨VDS的添加略有上翹。留意：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：假設思索溝道長度調制效應，那么ID的修正方程：任務在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關系式：其中，稱溝道長度調制系數(shù)，其值與l有關。通常=(0.005~0.03)V-1SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-看成壓控電流源例在以下圖所示N溝道EMOS管電路中，知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子參數(shù)為CoxW/(2l)＝0.25mA/V2，VGS(th)＝2V，試求ID。解設MOS管任務在飽和區(qū)，舍去截止區(qū)特點：相當于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未構成時的任務區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的任務區(qū)域。IG0，ID0擊穿區(qū)VDS增大到一定值時漏襯PN結雪崩擊穿ID劇增。VDS溝道l對于l較小的MOS管穿通擊穿。由于MOS管COX很小，因此當帶電物體(或人)接近金屬柵極時，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，呵斥MOS管永久性損壞。MOS管維護措施：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，同時對感生電荷起旁路作用。NEMOS管轉移特性曲線VGS(th)=3VVDS=5V轉移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，VGS對ID的控制造用，可由輸出特性轉換得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345轉移特性曲線中，ID=0時對應的VGS值，即開啟電壓VGS(th)。亞閾區(qū)：vGSVGS(th)時，iD不會突變到零，但其值很小(A量級)。通常將VGS(th)附近的很小區(qū)域(VGS(th)100mV)稱為亞閾區(qū)或弱反型層區(qū)。普通應防止任務在此區(qū)域襯底效應某些MOS管的源極不能處在電路的最低電位上，那么其源極與襯底不能相連，其間就會作用著負值的電壓vBS，P型硅襯底中的空間電荷區(qū)將向襯底底部擴展，VGS(th)相應增大。因此，在vGS一定時，iD就減小?？梢?，vBS和vGS一樣，也具有對iD的控制造用，故又稱襯底電極為背柵極，不過它的控制造用遠比vGS小。P溝道EMOS管+-VGSVDS+-SGBDNN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管任務原理類似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID流向相反。不同之處：電路符號中的箭頭方向相反。ID3.1.4耗盡型MOS場效應管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOSDMOS管構造VGS=0時，導電溝道已存在溝道線是實線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。外部任務條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管一樣。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。一、直流大信號簡化電路模型(與三極管相對照)場效應管G、S之間開路，IG0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通，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

+-場效應管等效電路二、小信號模型1．飽和區(qū)小信號模型受控電流源用戴維寧定理將電流源轉換為電壓源：思索襯底效應：gmb為襯底跨導，也稱背柵跨導η為常數(shù)，普通為0.1~0.2高頻小信號模型：LOV是根據(jù)閱歷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MOS管截止頻率：2．非飽和區(qū)小信號模型任務于非飽和區(qū)的MOS場效應管的低頻小信號模型等效為一個電阻高頻小信號模型:Ｎ溝道：襯底接最低電位，iD為電子電流，vDS>0，vGS正向添加，iD添加；Ｐ溝道：襯底接最高電位，iD為空穴電流，vDS<0，vGS負向添加，iD添加。二者的大信號和小信號等效模型一樣；目前，MOS器件普通采用BSIM3V3模型描畫，適用于計算機仿真，該模型已成為一種工業(yè)規(guī)范。器件小結四種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)轉移特性39場效應管電路分析方法與三極管電路分析方法類似，可以采用估算法分析電路直流任務點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)目的。MOS管電路分析方法場效應管估算法分析思緒與三極管一樣，只是由于兩種管子任務原理不同，從而使外部任務條件有明顯差別。因此用估算法分析場效應管電路時，一定要留意本身特點。估算法40MOS管截止方式判別方法假定MOS管任務在放大方式：放大方式非飽和方式(需重新計算Q點)N溝道管：VGS<VGS(th)P溝道管：VGS>VGS(th)截止條件非飽和與飽和(放大)方式判別方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判別電路任務方式：假設|VDS|>|VGS–VGS(th)|假設|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數(shù)學模型：41例1知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假設T任務在放大方式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入知條件解上述方程組得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD-ID(RD+RS)=6V因此驗證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設成立。42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類似。利用微變等效電路分析交流目的。畫交流通路；將FET用小信號電路模型替代；計算微變參數(shù)gm、rds；注：詳細分析將在第4章中詳細引見。3.2結型場效應管P溝道JFETN溝道JFET3.2.1任務原理Ｎ溝道JFET：正常任務時，P+N結反偏，阻撓層主要向低攙和的Ｎ區(qū)擴展，在vDS的作用下構成電流iD。Ｎ攙和濃度越低，VGS(off)越大〔絕對值越小〕。隨著vDS的添加，近漏端被夾端時，JFET溝道的導電才干受vGS和vDS的控制與MOS類似。非飽和區(qū)飽和區(qū)溝道未構成溝道構成3.2.2伏安特性曲線輸出特性曲線：一、非飽和區(qū)轉移特性曲線二、飽和區(qū)計及溝道長度調制效應JFET看作壓控電流源三、截止區(qū)四、擊穿區(qū)vGS<VGS(off)，iD=0隨著vDS添加，近漏端PN結發(fā)生雪崩擊穿，vGS越負，V(BR)DS越小3.3場效應管運用原理3.3.1有源電阻N溝道EMOS管構成有源電阻：留意區(qū)分有源電阻的直流電阻和交流電阻。伏安特性：N溝道DMOS管構成有源電阻：用有源電阻接成的分壓器：假設兩管工藝參數(shù)一樣，那么3.3.2MOS開關NMOS管任務在非飽和區(qū)，導通電阻：由于vGSv