第04章場效應(yīng)管資料教程

4.2

結(jié)型場效應(yīng)管4.3

場效管應(yīng)用原理4.1

MOS場效應(yīng)管第四章場效應(yīng)管

退出概述

場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、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(yīng)管與三極管主要區(qū)別：

場效應(yīng)管輸入電阻遠(yuǎn)大于三極管輸入電阻。

場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應(yīng)管分類：MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管

退出N+N+P+P+PUSGD4.1.1增強型MOS場效應(yīng)管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

退出

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。

退出

N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。反型層

退出VDS對溝道的控制（假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變）VDS很小時

→

VGD

VGS。此時W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Ron

→ID

變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+

退出

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

若VDS繼續(xù)

→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(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。

退出

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：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。

退出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、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。

利用半導(dǎo)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：

退出

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效應(yīng)管同一物理過程，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：ID同時受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時，VDS

ID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，VGS

ID

，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)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)。

退出數(shù)學(xué)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管工作在非飽區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關(guān)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。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。

退出

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/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)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)。

退出數(shù)學(xué)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

退出

截止區(qū)特點：相當(dāng)于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=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。

退出

由于MOS管COX很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，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，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護措施：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。

退出

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，VGS對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時對應(yīng)的VGS值,即開啟電壓VGS（th）。

退出

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）

ID

VUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓對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)

退出

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：電路符號中的箭頭方向相反。ID

退出4.1.2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(dǎo)電溝道已存在溝道線是實線

退出

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。

退出4.1.3四種MOS場效應(yīng)管比較

電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

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

退出

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(xué)模型與管子類型無關(guān)

退出

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

退出FET直流簡化電路模型(與三極管相對照)

場效應(yīng)管G、S之間開路，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

+-

退出4.1.4小信號電路模型MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場效應(yīng)管輸出電阻：

由于場效應(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rb

e較小。與三極管輸出電阻表達(dá)式相似。rb

ercebceibic+--+vbevcegmvbe

退出MOS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)要小一個數(shù)量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。

退出

計及襯底效應(yīng)的MOS管簡化電路模型

考慮到襯底電壓vus對漏極電流id的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上

為常數(shù)，一般

=0.1~0.2

退出MOS管高頻小信號電路模型

當(dāng)高頻應(yīng)用、需計及管子極間電容影響時，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壘電容）柵漏極間平板電容

退出

場效應(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；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標(biāo)。4.1.5

MOS管電路分析方法

場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點。

估算法

退出

MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非飽和模式（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）模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關(guān)系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：

退出例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)1.2M

4k

TSRG1RG2RDRS0.8M

10k

GID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因此驗證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設(shè)成立。

退出【例2】已知VDD=18V，Rs=1kΩ，Rd=3kΩ，Rg=3MΩ，耗盡型MOS管的VP=-5V，IDSS=10mA。試用估算法求電路的靜態(tài)工作點。解：不合題意，舍去。

退出【例3】解：柵極回路有:

設(shè)VDD=15V，Rd=5kΩ，Rs=2.5kΩ，R1=200kΩ，R2=300kΩ，Rg=10MΩ，RL=5kΩ，并設(shè)電容C1、C2和Cs足夠大。試用圖解法分析靜態(tài)工作點Q，估算Q點上場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm。由圖可得VGSQ=3.5V，IDQ=1mA。

退出輸出回路列出直流負(fù)載線方程：

VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID

由轉(zhuǎn)移特性得:開啟電壓VT=2V；當(dāng)VGS=2VT=4V時，ID=IDO=1.9mA。由圖可求得靜態(tài)時的VDSQ=7.5V?；蛑苯佑蓤D得：

退出

小信號等效電路法場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似。

利用微變等效電路分析交流指標(biāo)。

畫交流通路

將FET用小信號電路模型代替

計算微變參數(shù)gm、rds

退出

共源放大器共源、共柵和共漏放大器的性能

場效應(yīng)管電路性能特點、分析方法與三極管放大器相似。不同之處僅在于，F(xiàn)ET管的ig=0。RDRGvs+-RL+-voRS+-vigmvgsRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRo

退出

接R

S的共源放大器RDRGvs+-RL+-voRS+-viR

SgmvgxRDRGvs+-RL+-voRS+-virdsgsRiRoR

SR

o不變經(jīng)推導(dǎo)則增大減小

退出

共柵放大器vs+-RL+-voR

SRSRDvi+-vs+-RL+-voR

SRSRDgmvgsiiio+-vigsRi

i

i因為所以而

退出

共漏放大器RGvs+-RL+-voRS+-viR

SgR

SRGvs+-RL+voRS+-virds-gmvgss經(jīng)推導(dǎo)

退出FET三種組態(tài)電路性能比較小大小大大1大大大RDRGvs+-RL+-voRS+-viR

Svs+-RL+-voR

SRSRDvi+-RGvs+-RL+-voRS+-viR

S共源共柵共漏RiRoAv

退出例場效應(yīng)管放大器電路如圖所示，已知工作點的gm=5mA/V，試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。

退出帶電流負(fù)反饋的放大電路(a)電路；(b)等效電路；(c)簡化等效電路

退出解(1)該電路的小信號等效電路如圖所示。(2)輸出電壓：式中：

故放大倍數(shù)Au為

退出

退出

退出

退出

退出4.2結(jié)型場效應(yīng)管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD

退出

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0(保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS<0(保證柵源PN結(jié)反偏)4.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-

退出

VGS對溝道寬度的影響|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

退出VDS很小時

→

VGD

VGS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）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron不變

退出

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(off)時→A點出現(xiàn)預(yù)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(rèn)為l

不變（即Ron不變）。因此預(yù)夾斷后：VDS

→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A

退出

利用半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電溝道形成的原理不同。

退出

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)4.2.2伏安特性曲線線性電阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V

退出

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/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)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。

退出

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/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V

造成

ID劇增。VGS越負(fù)則VGD越負(fù)相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS越小

退出

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/V0IDSS

(N溝道JFET)ID/mAVGS/V0IDSSVGS(off)

(P溝道JFET)VGS=0時對應(yīng)的ID值

飽和漏電流IDSS。

退出

退出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(xué)模型不同，因此，跨導(dǎo)計算公式不同。

JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+