各種場(chǎng)效應(yīng)管的原理和特性曲線名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎(jiǎng)市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第三章場(chǎng)效應(yīng)管主要內(nèi)容3.0

概述3.1

場(chǎng)效應(yīng)管工作原理3.2

場(chǎng)效應(yīng)管特征曲線3.3場(chǎng)效應(yīng)管使用注意事項(xiàng)3.4場(chǎng)效應(yīng)管等效電路3.5場(chǎng)效應(yīng)管電路分析方法第1頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管3.0概述

場(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流半導(dǎo)體器件,也是一個(gè)含有正向受控作用半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡(jiǎn)單，器件特征便于控制，是當(dāng)前制造大規(guī)模集成電路主要有源器件。場(chǎng)效應(yīng)管與三極管主要區(qū)分：

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（三極管是雙極型器件）。

場(chǎng)效應(yīng)管受溫度影響小（只有多子漂移運(yùn)動(dòng)形成電流）第2頁(yè)一、場(chǎng)效應(yīng)管種類第三章場(chǎng)效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不一樣分為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETP溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道MOSFET（按工作方式不一樣）耗盡型（DMOS）增強(qiáng)型（EMOS）

溝道：指載流子流通渠道、路徑。N溝道是指以N型材料組成區(qū)域作為載流子流通路徑；P溝道指以P型材料組成區(qū)域作為載流子流通路徑。第3頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管二、場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號(hào)

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD返回第4頁(yè)耗盡型場(chǎng)管結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號(hào)第三章場(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)電溝道已存在返回第5頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型場(chǎng)管結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號(hào)PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUD返回第6頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào)第三章場(chǎng)效應(yīng)管SGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET返回總結(jié)第7頁(yè)總結(jié)：第三章場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào)可知：不論是JFET或是MOSFET，它都有三個(gè)電極：柵極G、源極S、漏極D。它們與三極管三個(gè)電極一一對(duì)應(yīng)（其實(shí)它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系除了電極有對(duì)應(yīng)關(guān)系外，由它們組成電路特征也有對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些我們?cè)诘谒脑俳o大家講）：

G---BS---ED----CN溝道管子箭頭是指向溝道，而P溝道管子箭頭是背離溝道。返回第8頁(yè)3.1

場(chǎng)效應(yīng)管工作原理第三章場(chǎng)效應(yīng)管

JFET與MOSFET工作原理相同，它們都是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流，即都是利用改變柵源電壓vGS，來(lái)改變導(dǎo)電溝道寬度和高度，從而改變溝道電阻，最終到達(dá)對(duì)漏極電流iD控制作用。不一樣之處僅在于導(dǎo)電溝道形成原理不一樣。(下面我們以N溝道JFET、N溝道增強(qiáng)型為例進(jìn)行分析）

返回第9頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管3.1.1

JFET管工作原理

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(確保柵漏PN結(jié)反偏)VGS<0(確保柵源PN結(jié)反偏)P+P+NGSD

+

VGSVDS+-PN結(jié)反偏才能有效控制導(dǎo)電溝道寬度和高度，從而才能有效控制電流。VGS對(duì)溝道寬度影響VDS對(duì)溝道寬度影響返回第10頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

VGS對(duì)溝道寬度影響|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返回第11頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

VDS對(duì)溝道控制（假設(shè)VGS一定）VDS很小時(shí)

→

VGDVGS由圖

VGD=VGS-VDS所以

VDS→ID線性

若VDS→則VGD→近漏端溝道→

Ron增大。此時(shí)

Ron→ID變慢NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時(shí)W近似不變即Ron不變VDS對(duì)溝道寬度影響第12頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

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

若VDS繼續(xù)→A點(diǎn)下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)

VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定），

VDS增加主要加在D、A之間形成很強(qiáng)電場(chǎng)，由S向D行進(jìn)多子越過(guò)耗盡區(qū)抵達(dá)漏極形成電流NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A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）。所以預(yù)夾斷后：VDS→ID基本維持不變。

返回第13頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道EMOS管工作原理

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0

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

VGS柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)平板電容器。增強(qiáng)型管子溝道形成原理第14頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

3.1.2N溝道EMOSFET溝道形成原理

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(fù)離子、電子VGS開啟電壓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)。反型層返回第15頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管3.2

場(chǎng)效應(yīng)管伏安特征曲線（以NEMOSFET為例）

因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管柵極電流為零，故不討論輸入特征曲線。共源組態(tài)特征曲線：ID=f

(VGS)VDS=常數(shù)轉(zhuǎn)移特征：ID=f

(VDS)VGS=常數(shù)輸出特征：+TVDSIG0VGSID+--

轉(zhuǎn)移特征與輸出特征反應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，它們之間能夠相互轉(zhuǎn)換。NDMOSFET特征曲線NJFET特征曲線第16頁(yè)輸出特征曲線可劃分四個(gè)區(qū)域：

ID只受UGS控制，而與UDS近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管正向受控作用。

非飽和區(qū)（又稱可變電阻區(qū)）特點(diǎn)：ID同時(shí)受UGS與UDS控制。ID/mAUDS/V0UDS=UGS–UTUGS=5V3.5V4V4.5VNEMOS管輸出特征曲線非飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。

飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）特點(diǎn)：VGS(th)—開啟電壓，開始有ID時(shí)對(duì)應(yīng)VGS值

截止區(qū)（ID

=0以下區(qū)域）

擊穿區(qū)IG≈0，ID≈0第一章半導(dǎo)體器件返回第17頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

非飽和區(qū)特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一個(gè)電阻特征；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當(dāng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGSID，表現(xiàn)出一個(gè)壓控電阻特征。溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)所以，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。（對(duì)應(yīng)三極管飽和區(qū)）

3.2.1NEMOS管輸出特征曲線返回第18頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)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)，輸出特征曲線隨VDS增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管放大區(qū)。

飽和區(qū)飽和區(qū)工作時(shí)數(shù)學(xué)模型返回第19頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則ID修正方程：

工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管正向受控作用，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相關(guān)。通常=(0.005~0.03)V-1返回第20頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS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)工作區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下工作區(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MOS管穿通擊穿。

截止區(qū)返回返回第21頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管VGS(th)=3VVDS

=5V

轉(zhuǎn)移特征曲線反應(yīng)VDS為常數(shù)時(shí)，VGS對(duì)ID控制作用,可由輸出特征轉(zhuǎn)換得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/V012345

轉(zhuǎn)移特征曲線中,ID≈0

時(shí)對(duì)應(yīng)VGS值,即開啟電壓VGS（th）

。

3.2.2

NEMOS管轉(zhuǎn)移特征曲線返回第22頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管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)ID表示式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS差異僅在于電壓極性與電流方向相反。

NDMOS管伏安特征返回第23頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

NJFET管伏安特征ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5VID=0時(shí)對(duì)應(yīng)VGS值夾斷電壓VGS（off）。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)ID值飽和漏電流IDSS。PJFET與NJFET差異僅在于電壓極性與電流方向相反在飽和區(qū)時(shí)數(shù)學(xué)模型：返回第24頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管

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(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

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型結(jié)型FET管：VGS與VDS極性相反。MOSFET:JFET:第25頁(yè)幾個(gè)FET管子轉(zhuǎn)移特征曲線比較:第三章場(chǎng)效應(yīng)管N溝道：VDS>0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P溝道：VDS<0

ID(mA)VGS(V)結(jié)型結(jié)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。結(jié)型FET管：

VGS與VDS極性相反。返回第26頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管使用注意事項(xiàng)

因?yàn)镸OS管COX很小，所以當(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)辦法：分立MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1D2首先限制VGS間最大電壓，同時(shí)對(duì)感生電荷起旁路作用。第27頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管3.4場(chǎng)效應(yīng)管等效電路

3.4.1FET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之間開路，IG0。三極管發(fā)射結(jié)因?yàn)檎鴮?dǎo)通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，ID受VGS控制。三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=

IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-詳細(xì)電路分析小信號(hào)等效電路第28頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管例1

已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求ID解：假設(shè)T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID帶入已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所以

驗(yàn)證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設(shè)成立。返回第29頁(yè)3.4.2

小信號(hào)電路模型第三章場(chǎng)效應(yīng)管FET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)采取以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（漏襯與源襯之間勢(shì)壘電容）柵漏極間平板電容簡(jiǎn)化小信號(hào)等效電路第30頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：

因?yàn)閳?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示式

相同。rbercebceibic+--+vbevceβibMOS管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型(與三極管對(duì)照)

返回gm含義第31頁(yè)第三章場(chǎng)效應(yīng)管FET跨導(dǎo)得

通常