湖南大學電子線路課件3(場效應管)

第三章場效應管場效應管有:結(jié)型場效應管JFET金屬-氧化物-半導體型場效應管MOSFET3.1MOS場效應管MOS場效應管分：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溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構，它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極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型半導體稱為襯底，用符號B表示。3.1.1EMOS場效應管結(jié)構

通常情況下，源極一般都與襯底極相連；正常工作時，作為源、漏區(qū)的兩個N+區(qū)與襯底之間的PN結(jié)必須外加反偏電壓。一、截止區(qū)與溝道形成VGS(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N+區(qū)的摻雜濃度越高，襯底摻雜濃度越低，VGS(th)越小。3.1.2EMOS場效應管工作原理(N溝道)

二、vGS>VGS(th)，0<vDS<vGS－VGS(th)

三、vGS>VGS(th)，vDS>vGS－VGS(th)

柵極和溝道的壓差在近源端最大，在近漏端最小，vGD＝vGS-vDS，因此溝道呈錐形分布，電流同時受vGS和vDS控制。當vDS=vGS-VGS(th)時，近漏端溝道夾斷。夾斷后，溝道長度幾乎不變，且vGA＝VGS(th)，vAS＝vGS-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(夾斷點A會隨著vDS的增加而向源極移動)，當vGS一定時，iD會隨著vDS的增加而略微增加。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；VGS控制MOS管的導電溝道深度，VGS越大，溝道越深，導電能力越強，VGS對溝道電流的控制是MOS管的主要受控作用，也是實現(xiàn)放大器的基礎；VGS一定，滿足VGS>VGS(th),在VDS<VGSVGS(th)時,隨著VDS的增加，由于溝道沒有夾斷，溝道電阻變化不大，溝道電流呈線性增加，當VDS>VGSVGS(th)時，夾斷點到Ｓ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，則電流會有略微的上升；NMOS管是依靠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(zhuǎn)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)稱為亞閥區(qū)或弱反型層區(qū)。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。二、襯底效應

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。因而，在vGS一定時，iD就減小?？梢?，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比vGS小。3.1.4DMOS場效應管一、結(jié)構

二、伏安特性

(NDMOS)耗盡型MOS管在襯底表面擴散一薄層與襯底導電類型相反的摻雜區(qū)，作為漏、源區(qū)之間的導電溝道，vGS＝0時導電溝道已形成。N溝道DMOS的VGS(th)<0。P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)制效應MOS管看作電壓控制電流源：溝道長度調(diào)制系數(shù)

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MOS管工作在飽和區(qū)，舍去二、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。在數(shù)值上，直流工作點電流相同時，三極管的跨導變化比MOS管大。計及溝道長度調(diào)制效應與得到的結(jié)果一致考慮襯底效應：表示為電壓控制電壓源：gmb為襯底跨導，也稱背柵跨導高頻小信號模型：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MOS管截止頻率：2．非飽和區(qū)小信號模型

工作于非飽和區(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正向增加，iD增加；Ｐ溝道：襯底接最高電位，iD為空穴電流，vDS<0，vGS負向增加，iD增加。二者的大信號和小信號等效模型相同；目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，適用于計算機仿真，該模型已成為一種工業(yè)標準。3.1.7器件小結(jié)四種MOS管比較3.3場效應管應用原理3.3.1有源電阻N溝道EMOS管構成有源電阻：注意區(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：若兩管工藝參數(shù)相同，則3.3.2MOS開關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)時，Ron迅速增大。同理，若采用PMOS開關，Ron隨著vI的減小而增加。NMOS導通電阻CMOS開關導通電阻MOS開關應用舉例：開關電容電路S1和S2輪流導通，在一個時鐘周期內(nèi)從輸入端到輸出端的平均電流為該開關電容電路可等效為一個電阻3.3.3邏輯門電路一、CMOS反相器邏輯符號電路二、CMOS或非門

邏輯符號電路三、CMOS與非門

邏輯符號電路四、CMOS傳輸門

邏輯符號電路五、鎖存器

結(jié)構圖電路圖器件部分小結(jié)半導體物理基礎知識了解：本征半導體雜質(zhì)半導體本征激發(fā)摻雜漂移、擴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：PN結(jié)的形成

二極管特點

單向?qū)щ娦?/p>

掌握：PN結(jié)的特性

V-I擊穿

電容

溫度開關

二極管模型二極管三極管

了解：三極管結(jié)構載流子傳輸直流電流傳輸方程

掌握：三電流間的近似關系三極管特點正向受控作用三極管模型特性