5.1金屬-氧化物-半導體MOS場效應管P課件

1、5 場效應管放大電路,場效應管是什么？場效應管的結構、工作原理、特性、參數(5.1、5.3.1、5.3.2、5.5.1) 場效應管有什么作用？場效應管的使用、選用、應 用(5.1.5、5.2、5.3.3、5.5.2),5 場效應管放大電路,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管 5.2 MOSFET放大電路 5.3 結型場效應管(JFET) *5.4 砷化鎵金屬-半導體場效應管 5.5 各種放大器件電路性能比較,5 場效應管放大電路,本章內容,1. 了解 MOSFET (金屬-氧化物-半導體場效應管)的結構和工作原理，掌握其符號、特性曲線、特性方程、參數和應用。 2. 熟悉 MOSFE

2、T 放大電路的組成和工作原理，掌握 其靜態(tài)分析和動態(tài)分析。,5 場效應管放大電路,本章要求,3. 了解 JFET ( 結型場效應管 ) 的結構和工作原理，掌握其符號、特性曲線、特性方程、參數和應用，熟悉其放大電路的組成和工作原理，掌握靜態(tài)分析和動態(tài)分析。,4. 了解砷化鎵金屬-半導體場效應管的特點。 5. 掌握各種 FET (場效應管)的特性及區(qū)別、各種放大 器件電路性能及區(qū)別，熟悉場效應管使用注意事項。,5 場效應管放大電路,重點難點,重點：各種場效應管的符號、特性曲線、特性方程、參數、使用和應用；場效應管放大電路的靜態(tài)分析、動態(tài)分析和性能特點。,難點：場效應管的結構、工作原理、特性曲線和特

3、性方程，場效應管放大電路的工作原理、靜態(tài)分析和動態(tài)分析。,5.1.3 P溝道MOSFET 1. P溝道增強型MOSFET 2. P溝道耗盡型MOSFET,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,本節(jié)內容,5.1.1 N溝道增強型MOSFET 1. 結構與符號 2. 工作原理 3. V-I 特性曲線及大信號特性方程,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET 1. 結構、符號和工作原理簡述 2. V-I 特性曲線及大信號特性方程 3. N溝道增強型、耗盡型管比較,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,5.1.4 溝道長度調制效應 1. 理想飽和區(qū)特性 2. 實際飽和區(qū)特性,5.1.5

4、 MOSFET的主要參數 一、直流參數 二、交流參數 三、極限參數,3. 四種MOS管匯總,5.1.6 MOSFET的特點與命名 1. 幾點結論 2. MOSFET特點 3. 與BJT比較,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,4. 場效應管命名,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,本節(jié)要求,1. 了解N溝道增強型MOSFET的結構和工作原理，掌握其符號、特性曲線、特性方程和參數。 2. 了解N溝道耗盡型MOSFET的結構和工作原理，掌 握其符號、特性曲線、特性方程和參數。,3. 了解P溝道增強型、耗盡型MOSFET的結構和工作 原理，掌握其符號、特性曲線、特性方程和參數

5、。 4. 了解溝道長度調制效應。 5. 掌握MOSFET的主要參數。 6. 掌握MOSFET的特點，熟悉場效應管命名方法。,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,重點難點,重點：N 溝道增強型、耗盡型，P 溝道增強型、耗盡型MOSFET的符號、特性曲線、特性方程和參數。,難點：N 溝道增強型、耗盡型，P 溝道增強型、耗盡 型MOSFET的結構和工作原理，特性曲線和特性方程。,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,場效應管(FET)是什么？,1. 場效應管(FET) 2. 場效應管(FET)的分類,場效應管(Field Effect Transistor，簡稱FET)：是一

6、種利用輸入電壓(柵-源電壓)vGS產生的電場效應來改變 導電溝道的厚度，控制導電溝道的導電能力，從而達到用 輸入電壓vGS控制輸出電流(漏極電流)iD的半導體器件。,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,1. 場效應管(FET),場效應：利用與半導體表面垂直的電場控制半導體的 電導率或半導體中的電流。,電壓控制電流源器件,iD=f (vGS),5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,2. 場效應管(FET)的分類,1)按結構來劃分,(1)絕緣柵型場效應管( Insulated Gate Field Effect Transister， IGFET) 絕緣柵型場效應管也稱金屬-

7、氧化物-半導體(MOS)場 效應管(Metal Oxide Semiconductor FET， MOSFET),(2)結型場效應管(Junction type Field Effect Tran- sister， JFET),2)按導電載流子來劃分,(1)N(電子)型溝道場效應管 (2)P(空穴)型溝道場效應管,場效應管種類多，可按不同角的分類。,5.1 金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管,3)按工作原理來劃分,(1)增強(Enhancement)型(E型)場效應管 (2)耗盡(Depletion)型(D型)場效應管,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,N溝道增強型MOSFET是怎樣的

8、？,1. 結構與符號 2. 工作原理 3. V-I 特性曲線及大信號特性方程,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,1. 結構與符號 1) 結構,N溝道增強型 MOSFET 基本上 是左右對稱的拓撲 結構，它是在低摻 雜的 P型硅片襯底,上生成一層二氧化 硅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)，在兩個N+型,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,和二氧化硅絕緣層 安置三個鋁電極： 柵極 g ( Gate )；漏 極 d (Drain)；源極 S (Source)；P型硅 片稱為襯底，用 B,表示，通常與源極 接在一起使用，有 的在內部已連在一 起。由于柵極與源 極、

9、漏極和襯底之 間采用二氧化硅絕,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,故也稱為金屬氧 化物半導體場效 應管。 源極 S ：載流 子的發(fā)源處，相當 于發(fā)射極 e；漏極,緣層隔離，故稱為 絕緣柵型場效應管。 又因為三個極是金 屬鋁，絕緣層是氧 化物二氧化硅，襯 底是半導體硅片，,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,L：溝道長度 W：溝道寬度 tox ：絕緣層厚度 通常 W L,d：載流子的泄漏 處，相當于集電極 c；柵極 g ：控制 控制載流子的數量, 相當于基極 b。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,柵源電壓vGS=0時漏極d和源極S間沒導電溝道，漏極 電流iD= 0，只有當vGS VT

10、0(開啟電壓)時才有導電溝 道，稱為增強(Enhancement)型(E型)。,導電溝道,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,3) 實物圖,N溝道增強型,P溝道增強型,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,4) 符號,(柵極),(源極),(漏極),導電溝道,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,5) 參考方向規(guī)定,柵源電壓vGS、漏源電壓vDS從第一下標指向第二下 標。漏極電流iD、源極電流iS按實際方向標注。,2. 工作原理 1)柵源電壓vGS對漏極電流iD的影響 (1)vGS=0,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,低摻雜的 P型襯底隔開 高摻雜的 N+型漏區(qū)和 N+型 源區(qū)，漏、源極

11、之間是兩個 背靠背的PN結。,不管漏源電壓 vDS 的 極性如何，總有一個 PN結 反向偏置，反向電阻很高， d、S 間沒導電溝道，漏極 電流iD0，處于截止狀態(tài)。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(2) 0vGSVT,產生向下的電場，排 斥柵極附近 P型襯底中的 多子空穴；同時吸引襯底 中的少子電子到達表層填,補空穴，留下不能移動的 負離子，形成不能導電的 耗盡層，d、s間仍沒導電 溝道，漏極電流 iD 0， 處于截止狀態(tài)。,耗盡層,(開啟電壓VT0),0vGSVT，工作 在截止區(qū)。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(3) vGS VT,vGS=VT時電場吸引 足夠的襯底電子到柵

12、極下 襯底表面，形成 N (電子) 型薄層(反型層)，剛好連,vGS VT管子導通， vGS越大，導電溝道越厚，在 vDS 一定時 iD就越大。,通 d、S 極成為導電溝道， 在漏源電壓 vDS 作用下 產生漏極電流 iD 而導通， VT稱為開啟電壓。,電子溝道,耗盡層,(開啟電壓VT0),5.1.1 N溝道增強型MOSFET,2)漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響 (1) vDSvGS-VT,vGD = vGS-vDS VT，導電溝道仍連通d、S。,vDSiD;,vGSvGD 溝道厚度、電阻 iD。vDS小，iD不多。,vDSvGDd 附近電場導電溝道沿 S-d方向厚度，呈楔形。,+vGD

13、-,電子溝道,工作在可變電阻區(qū)。,(開啟電壓VT0),5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(2) vDS=vGS-VT,vGD = vGS-vDS = VT(0)，d端導電溝道剛 好消失而夾斷，稱為預夾 斷。,+vGD -,電子溝道,(開啟電壓VT0),5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(3) vDSvGS-VT,vGD =vGS-vDS VT。,+vGD -,vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vDS增大部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨vDS變化。,vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,電子溝道,工作在恒流區(qū)。,(開啟電壓VT0),5

14、.1.1 N溝道增強型MOSFET,3) 幾個術語,感生溝道：由柵源電 壓感應產生的導電溝道。,開啟電壓 ( 閾值電壓 ) VT：漏源電壓 vDS 一定， 使管子由截止變?yōu)閯倢?時的臨界柵源電壓vGS 。,電壓控制電流：只有 vGS VT 后才開始導通，,電子溝道,耗盡層,反型層：在柵極下方 形成的與襯底的多子極性 相反的載流子薄層。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,在一定的漏源電壓vDS下， 漏極電流iD受到柵源電壓 vGS控制。,電子溝道,耗盡層,單極型：只有一種載 流子參與導電，N 溝道為 電子，P溝道為空穴。,增強型：vGS=0時漏 極d和源極S之間沒有導電 溝道，漏極電流 i

15、D 為 0， vGS 增大到一定值 ( 開 啟電壓VT) 時才有導電溝 道。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,3. V-I 特性曲線及大信號特性方程 1) 輸出特性及大信號特性方程,(1) 截止區(qū)(夾斷區(qū)) vGSVT,也稱漏極特性。,VT=2V,未形成導電溝道，d、S 斷開，漏極電流iD=0，截止。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(2) 可變電阻區(qū),vDSvGDd 附近電場導電溝道沿 S-d方向厚度，呈楔形。,vGD =vGS-vDS VT，導電溝道仍連通d、S。,vDSiD線性;,VT=2V,vGSVT，vDSvGS-VT,vGSvGD 溝道厚度、電阻 iD。vDS小，iD不

16、多。,工作在可變電阻區(qū)。,斜率,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,原點附近vDS較小，近似為,rdso是一個受vGS控制 的可變電阻。,特性方程：,VT=2V,斜率倒數,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,n ：反型層中電子遷移率， cm2/V.S Cox：柵極(與襯底間)氧化 層單位面積電容，F/cm2,：本征導電因 子，F/V.S,Kn為電導常數，單位：mA/V2,L ：溝道長度，m W：溝道寬度，m,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(3)飽和區(qū)(恒流區(qū)、放大區(qū)),vGSVT，vDSvGS-VT,vGD =vGS-vDS VT,vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vD

17、S增大部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨vDS變化。,vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,VT=2V,工作在恒流區(qū)。,IDO=KnV2T：vGS=2VT時 的iD。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,特性方程：,VT=2V,IDO,在飽和區(qū) iD 基本不隨 vDS 變化，把預夾斷臨界條件 vDS=vGS-VT代入,得：,iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(4) 特性歸納,截止(夾斷)區(qū),可變電阻區(qū),vDSiD 線性,vGSiD不多,飽和(恒流、放大)區(qū),vDSiD基本不變,vGSiD，iD是 受vGS控制的

18、電流源。,iD=0,vGSVT, vDS vGS-VT,vGSVT， vDSvGS-VT,vGSVT(0),vGSrdso，是受 vGS控制的可變電阻。,iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,2) 轉移特性 (1)由特性方程畫出,在飽和區(qū)iD基本不隨vDS 變化，即vDS取不同常數時的 轉移特性是一樣的( 重疊 )。,vDS=10V,vGS溝道厚度iD,vDS=10V,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,(2)由輸出特性畫出,VT=2V,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,為何不研究輸入特性？,iG0,絕緣層,5.1.1 N溝道增強型MOSFET,例5

19、.1.1,注意單位,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,N溝道耗盡型MOSFET是怎樣的？,1. 結構、符號和工作原理簡述 2. V-I 特性曲線及大信號特性方程 3. N溝道增強型、耗盡型管比較,1. 結構、符號和工作原理簡述 1) 結構,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,在制造時導電溝道已形 成。制造時在絕緣層中摻入 大量的堿金屬正離子Na+或K+，在源區(qū)和漏區(qū)中間的P,耗盡的意思是柵源電壓VGS=0時，在漏源之間就形成 了溝道。只有給柵源加負電壓，才能使管子截止。,型襯底表面感應出很多電子, 或在襯底表面摻入與襯底相 反類型的雜質，形成 N 型溝 道，將源區(qū)和漏區(qū)連通起來。,5.1

20、.2 N溝道耗盡型MOSFET,2) 符號,比較,與增強型的區(qū)別：表示導電溝道的線為實線和虛線。,參考方向：vGS、vDS從第一下標指向第二下標。 iD、iS按實際方向標注。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,3) 工作原理 (1)柵源電壓vGS對漏極電流iD的影響 vGS=0,制造時已形成 N型導電 溝道，所以柵源電壓vGS=0 時加上一定的漏源電壓vDS， 也會有漏極電流iD。,vGS =0時漏極電流稱為 飽和漏極電流，用IDSS 表示， D、S表示iD流過d、S極；S 表示g、S極短路(Short)。,vGS可以是0,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET, 0vGS V(BR)GS,

21、產生向下的外電場，增 強了正離子的電場，排斥柵 極附近 P型襯底中的多子空 穴；同時吸引襯底中的少子 電子到達表層而使 N型導電,溝道更寬，其電阻更小，在 一定的漏源電壓vDS下，漏 極電流iD增大。若柵源電壓 vGS越大，導電溝道越寬， 漏極電流iD就越大。,(最大柵源電壓V(BR)GS 0),vGS可以是+,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET, VPvGS0,產生向上的外電場，削 弱了正離子的電場，排斥柵 極附近 N型導電溝道中的電 子；同時吸引 P型襯底中的 多子空穴到達表層而使導電,溝道變窄，其電阻變大，在 一定的漏源電壓vDS下，漏 極電流iD減小。若柵源電壓 vGS越負，導電溝道

22、越窄， 漏極電流iD就越小。,(夾斷電壓VP0),vGS可以是-,vGS VP時導電溝道 被夾斷， iD=0，管子截止。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET, vGSVP0,產生向上的電場，排斥 柵極附近 N型導電溝道的電子；同時吸引 P型襯底的空 穴到表層使導電溝道變窄，,在一定的漏源電壓 vDS下， 漏極電流iD減小。vGS越負， 導電溝道越窄，iD就越小。,vGS=VP時導電溝道剛 好消失，VP稱為夾斷電壓。,vGS可以是+、0、-,(夾斷電壓VP0),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,(2)漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響 vDSvGS-VP,vGD = vGS-vDS VP，

23、導電溝道仍連通d、S。,+vGD -,vDSiD;,vDSvGD d 區(qū)附近電場d區(qū)附近導 電溝道厚度。,vGSvGD溝 道厚度、電阻iD。 vDS小，iD不多。,工作在可變電阻區(qū)。,(夾斷電壓VP0),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET, vDS=vGS-VP,+vGD -,vGD=vGS-vDS= VP(0)，d端導電溝道 消失而夾斷，稱為預夾 斷。,(夾斷電壓VP0),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET, vDSvGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS VP (0),vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vDS增大部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨

24、vDS變化。,vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,工作在恒流區(qū)。,(夾斷電壓VP0),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,2. V-I 特性曲線及大信號特性方程 1) 輸出特性及大信號特性方程,(1) 截止區(qū)(夾斷區(qū)) vGSVP(0),導電溝道消失，d、S 之間斷開，漏極電流 iD= 0，為截止狀態(tài)。,也稱漏極特性。,VP=-6V,vGS可+、0、-,vGSvGD溝 道厚度、電阻iD。 vDS小，iD不多。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,(2) 可變電阻區(qū),vGD =vGS-vDS VP，導電溝道仍連通d、S。,vDSiD線性;,VP=-6V,vGSVP，

25、vDSvGS-VP,vDSvGD d區(qū)附近電場d區(qū)附 近導電溝道厚度。,vGS可+、0、-,工作在可變電阻區(qū)。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,原點附近vDS較小，近似為,rdso是一個受vGS控制 的可變電阻。,特性方程：,斜率倒數,(增強型中VT改為VP),vGS可+、0、-,VP=-6V,斜率,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,Kn為電導常數，單位：mA/V2,vGS可+、0、-,VP=-6V,L ：溝道長度，m W：溝道寬度，m,n ：反型層中電子遷移率， cm2/V.S Cox：柵極(與襯底間)氧化 層單位面積電容，F/cm2,：本征導電因 子，F/V.S,5.1.2 N溝

26、道耗盡型MOSFET,(3) 飽和區(qū)(恒流區(qū)、放大區(qū)),vGSVP，vDSvGS-VP,vGD =vGS-vDS VP,vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vDS增大部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨vDS變化。,vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,VP=-6V,vGS可+、0、-,工作在恒流區(qū)。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,特性方程：,得：,IDSS=KnV2P：vGS=0時的 iD，稱為飽和漏極電流。,VP=-6V,IDSS,在飽和區(qū) iD 基本不隨 vDS 變化，把預夾斷臨界條件 vDS=vGS-VP代入,vGS可+、0、-,

27、iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,(4) 特性歸納,截止(夾斷)區(qū),可變電阻區(qū),vDSiD 線性,vGSiD不多,飽和(恒流、放大)區(qū),vDSiD基本不變,vGSiDiD是 受vGS控制的電流源。,iD=0,vGSVP, vDS vGS-VP,vGSVP， vDSvGS-VP,vGSVP(0),vGS可+、0、-,vGSrdso，是受 vGS控制的可變電阻。,vGS溝道厚度iD,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,2) 轉移特性 (1)由特性方程畫出,在飽和區(qū)iD基本不隨vDS 變化，即vDS取不同常數時的 轉移特性是一樣的( 重疊 )。,vGS可+

28、、0、-,iD 與 vDS無關。,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,(2)由輸出特性畫出,VP=-6V,vGS可+、0、-,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,3. N溝道增強型、耗盡型管比較,VT,VT,VP,VP,5.1.3 P溝道MOSFET,P溝道MOSFET是怎樣的？,1. P溝道增強型MOSFET 1) 結構 2) 符號 3) 工作原理 4) 特性曲線及特性方程 5) P溝道、N溝道增強型管比較,2. P溝道耗盡型MOSFET 1) 結構 2) 符號 3) 工作原理 4) 特性曲線及特性方程,5.1.3 P溝道MOSFET,5) P溝道、N溝道耗盡型管比較 6) P溝道增強型

29、、耗盡型管比較,3. 四種MOS管匯總,5.1.3 P溝道MOSFET,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET類似， 主要是導電的載流子不同、供電電壓極性不同、電流方向 不同，如同NPN型和PNP型雙極型三極管一樣。,5.1.3 P溝道MOSFET,1. P溝道增強型MOSFET 1) 結構,P溝道、N溝道增強型MOS管互為對偶。,P型溝道,N型溝道,0,0,0,0,比較,5.1.3 P溝道MOSFET,2) 符號,比較,參考方向：vGS、vDS從第一下標指向第二下標。iD、 iS按實際方向標注。,與N溝道增強型的區(qū)別：表示溝道類型的箭頭方向。,5.1.3 P溝道MOSFET,3)

30、工作原理 (1)柵源電壓vGS對漏極電流iD的影響,P溝道MOS場效應管的 工作原理與N溝道MOS場效 應管類似，只是所加電壓的 極性不同，導電的載流子不 同，電流的方向也不同。, vGS=0,不管漏源電壓 vDS 極 性如何，d、S 間總有一個 PN 結反偏，沒導電溝道， 漏極電流iD0，截止。,5.1.3 P溝道MOSFET, VTvGS 0,(開啟電壓VT0),產生向上的電場，排 斥柵極附近 N型襯底中的 多子電子；同時吸引襯底 中的少子空穴到達表層與,電子復合，留下不能移動 的正離子，形成不能導電 的耗盡層，d、s間仍沒導 電溝道，漏極電流iD0， 處于截止狀態(tài)。,耗盡層,VTvGS0

31、，工作 在截止區(qū)。,5.1.3 P溝道MOSFET, vGS VT0,vGS=VT時電場吸引 足夠的襯底空穴到柵極下 襯底表面，形成 P (空穴) 型薄層(反型層)，剛好連,通 d、S 極成為導電溝道， 在漏源電壓 vDS 作用下 產生漏極電流 iD 而導通， VT稱為開啟電壓。,空穴溝道,耗盡層,vGS越負，導電溝道 越厚，vDS 一定時 iD越 大。vGS VT管子導通。,(開啟電壓VT0),5.1.3 P溝道MOSFET,(2)漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響 vDSvGS-VT,vGD = vGS-vDS VT，導電溝道仍連通d、S。,vDSiD;,vDSvGDd附 近電場導電溝道沿

32、S-d 方向厚度，呈楔形。,vDS、vGS、vGD均為負,+vGD -,電子溝道,工作在可變電阻區(qū)。,(開啟電壓VT0),5.1.3 P溝道MOSFET,vDS=vGS-VT,vGD =vGS-vDS = VT，d端導電溝道剛好消 失而夾斷，稱為預夾斷。,+vGD -,空穴溝道,vDS、vGS、vGD均為負,(開啟電壓VT0),vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,5.1.3 P溝道MOSFET, vDSvGS-VT,+vGD -,vGD =vGS-vDS VT。,vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vDS減小部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨

33、vDS變化。,電子溝道,vDS、vGS、vGD均為負,(開啟電壓VT0),工作在恒流區(qū)。,和輸出特性各 6 條，其電 壓和電流方向也有所不同。 若按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線要畫在不同的象限。為了 便于繪制，P溝道管以-vDS作為橫軸的正方向。,場效應管根據導電溝 道(N、P溝道)，以及是絕 緣柵型 ( 分增強型和耗盡 型 ) 還是結型有轉移特性,5.1.3 P溝道MOSFET,4) 特性曲線及特性方程 (1) 輸出特性及特性方程,5.1.3 P溝道MOSFET, 輸出特性,(A)截止(夾斷)區(qū),(B)可變電阻區(qū),vDSiD 線性,vGSiD不多,(C)飽和(恒流、放大)區(qū),vDSiD基本不變,

34、vGSiDiD是 受vGS控制的電流源。,iD=0,vGSVT, vDS vGS-VT,vGSVT， vDSvGS-VT,vGSVT(0),vGSrdso，是受 vGS控制的可變電阻。,5.1.3 P溝道MOSFET, 特性方程,vDS較小，近似為,rdso是一個受vGS控制 的可變電阻。,斜率倒數,(A) 可變電阻區(qū),VT=-2V,斜率,5.1.3 P溝道MOSFET,p ：反型層中空穴遷移率， cm2/V.S，比n小 Cox：柵極(與襯底間)氧化 層單位面積電容，F/cm2,：本征導電因 子，F/V.S,Kp為電導常數，單位：mA/V2,L ：溝道長度，m W：溝道寬度，m,5.1.3 P

35、溝道MOSFET,VT=-2V,IDO,iD 基本不隨vDS變化，把預夾斷臨界條件vDS=vGS -VT代入,得：,IDO=KnV2T：vGS=2VT時 的iD。,(B) 飽和區(qū),iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.3 P溝道MOSFET,(2) 轉移特性,在飽和區(qū)iD基本不隨vDS 變化，即vDS取不同常數時的 轉移特性是一樣的( 重疊 )。,vGS溝道厚度iD,VT,vDS=常數,iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.3 P溝道MOSFET,5) P溝道、N溝道增強型管比較,VT,VT,VT,VT,2. P溝道耗盡型MOSFET 1) 結構,5.1.3 P溝道MOSFET

36、,在制造時導電溝道已形 成。制造時在絕緣層中摻入 大量的金屬負離子，在源區(qū) 和漏區(qū)中間的 N 型襯底表面,耗盡的意思是柵源電壓VGS=0時，在漏源之間就形成 了溝道。只有給柵源加正電壓，才能使管子截止。,感應出很多空穴，或在襯底 表面摻入與襯底相反類型的 雜質，形成 P 型溝道，將源 區(qū)和漏區(qū)連通起來。,5.1.3 P溝道MOSFET,2) 符號,比較,與增強型的區(qū)別：表示導電溝道的線為實線和虛線。,參考方向：vGS、vDS從第一下標指向第二下標。iD、 iS按實際方向標注。,3) 工作原理 (1)柵源電壓vGS對漏極電流iD的影響 vGS=0,5.1.3 P溝道MOSFET,制造時已形成 P

37、 型導電 溝道，所以柵源電壓vGS=0 時加上一定的漏源電壓vDS， 也會有漏極電流iD。,vGS =0時漏極電流稱為 飽和漏極電流，用IDSS 表示， D、S表示iD流過d、S極；S 表示g、S極短路(Short)。,vGS可以是0,5.1.3 P溝道MOSFET, V(BR)GSvGS0,產生向上的外電場，增 強了負離子的電場，排斥柵 極附近 N型襯底中的多子電 子；同時吸引襯底中的少子 空穴到達表層而使 P型導電,溝道更寬，其電阻更小，在 一定的漏源電壓vDS下，漏 極電流iD增大。若柵源電壓 vGS越負，導電溝道越寬， 漏極電流iD就越大。,(最大柵源電壓V(BR)GS0),vGS可以

38、是-,5.1.3 P溝道MOSFET, 0vGS VP,產生向下的外電場，削 弱了負離子的電場，排斥柵 極附近 P 型導電溝道中的空 穴；同時吸引 N型襯底中的 多子電子到達表層而使導電,溝道變窄，其電阻變大，在 一定的漏源電壓vDS下，漏 極電流iD減小。若柵源電壓 vGS越正，導電溝道越窄， 漏極電流iD就越小。,vGS可以是+,(夾斷電壓VP0),5.1.3 P溝道MOSFET, vGSVP,產生向下的電場，排斥 柵極附近 P型導電溝道的空穴；同時吸引 P型襯底的電 子到表層使導電溝道變窄，,在一定的漏源電壓 vDS下， 漏極電流iD減小。vGS越正， 導電溝道越窄，iD就越小。,(夾斷

39、電壓VP0),vGS=VP時導電溝道剛 好消失，VP稱為夾斷電壓。,vGS可以是+、0、-,vGS VP時導電溝道 被夾斷， iD=0，管子截止。,5.1.3 P溝道MOSFET,(2)漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響 vDSvGS-VP,vGD = vGS-vDS VP，導電溝道仍連通d、S。,+vGD -,vDSiD;,vDSvGD d 區(qū)附近電場d區(qū)附近導 電溝道厚度。,(夾斷電壓VP0),工作在可變電阻區(qū)。,5.1.3 P溝道MOSFET, vDS=vGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS = VP，d端導電溝道消失而 夾斷，稱為預夾斷。,(夾斷電壓VP0),5.1.3

40、P溝道MOSFET, vDSvGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS VP,vDSvGD 夾斷區(qū)沿 S 極擴展夾斷 區(qū)電阻vD減小部分 用于克服夾斷區(qū)對 iD的阻 力，iD基本不隨vDS變化。,vGSvGD 夾斷區(qū)厚度 iD iD是受vGS控制的電流源。,(夾斷電壓VP0),工作在恒流區(qū)。,5.1.3 P溝道MOSFET,4) 特性曲線及特性方程 (1) 輸出特性,截止(夾斷)區(qū),可變電阻區(qū),vDSiD 線性,vGSiD不多,飽和(恒流、放大)區(qū),vDSiD基本不變,vGSiDiD是受vGS控制的電流源。,iD=0,vGSVP, vDS vGS-VP,vGSVP， vDSvGS-V

41、P,vGSVP(0),vGS可+、0、-,vGSrdso，是受 vGS控制的可變電阻。,5.1.3 P溝道MOSFET,(2) 特性方程,可變電阻區(qū),vDS較小，近似為,rdso是一個受vGS控制 的可變電阻。,斜率倒數,VP=4V,斜率,5.1.3 P溝道MOSFET,p ：反型層中空穴遷移率， cm2/V.S，比n小 Cox：柵極(與襯底間)氧化 層單位面積電容，F/cm2,：本征導電因 子，F/V.S,Kp為電導常數，單位：mA/V2,L ：溝道長度，m W：溝道寬度，m,5.1.3 P溝道MOSFET,VP=4V,IDSS,iD 基本不隨vDS變化，把預夾斷臨界條件 vDS =vGS

42、-VP代入,得：,IDSS=KPV2P：vGS=0時的 iD，稱為飽和漏極電流。,飽和區(qū),iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.3 P溝道MOSFET,(3) 轉移特性,在飽和區(qū)iD基本不隨vDS 變化，即vDS取不同常數時的 轉移特性是一樣的( 重疊 )。,vGS溝道厚度iD,VP,vDS=常數,vGS可+、0、-,iD 與 vDS無關，受vGS控制。,5.1.3 P溝道MOSFET,5) P溝道、N溝道耗盡型管比較,VP,VP,VP,VP,5.1.3 P溝道MOSFET,6) P溝道增強型、耗盡型管比較,VT,VT,VP,VP,5.1.3 P溝道MOSFET, 3. 四種MOS管匯

43、總,(P237 表5.5.1),5.1.3 P溝道MOSFET,柵源電壓vGS的 極性可正、可負，漏源電 壓vDS為負極性，是P溝 道耗盡型MOSFET。,一只場效應管的輸出特性如圖所示。確定該管類 型，并求VP(或VT)、IDSS(或IDO)、V(BR)DS 。,5.1.3 P溝道MOSFET,例1,解:,VP=+3 V,V(BR)DS=-15V,IDSS=-4mA,VP,V(BR)DS,IDSS,5.1.4 溝道長度調制效應,理想和實際飽和區(qū)有何區(qū)別？, 1. 理想飽和區(qū)特性 2. 實際飽和區(qū)特性,5.1.4 溝道長度調制效應, 1. 理想飽和區(qū)特性,理想情況下，飽和區(qū) 特性曲線平坦，iD

44、與vDS 無關。,5.1.4 溝道長度調制效應,2. 實際飽和區(qū)特性,實際上飽和區(qū)的曲線并不平坦，而是略向上傾斜，iD 隨vDS增大略增大，這是由于vDS對溝道長度的調制作用 所致。,5.1.4 溝道長度調制效應,用溝道長度調制參數對特性方程修正。,L：溝道長度，單位為m,當不考慮溝道調制效應時(理想情況)，=0，曲線是 平坦的。,5.1.5 MOSFET的主要參數,MOS管有哪些參數？,參數用來表征管子的性能。,一、直流參數 1. 開啟電壓VT(增強型管參數) 2. 夾斷電壓VP(耗盡型管參數) 3. 飽和漏電流IDSS(耗盡型管參數) 4. 直流輸入電阻RGS,二、交流參數 1. 輸出電阻

45、rds 2. 低頻互導gm,三、極限參數 1. 最大漏極電流IDM,5.1.5 MOSFET的主要參數,2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源電壓V(BR)DS 4. 最大柵源電壓V(BR)GS,5.1.5 MOSFET的主要參數,一、直流參數 1. 開啟電壓VT,VT=2V,vDS=10V,規(guī)定：vDS為某值，使iD等于一微小電流時的vGS。,NMOS管正，PMOS管負,(增強型管參數),5.1.5 MOSFET的主要參數,2. 夾斷電壓VP,VP=-6V,規(guī)定：vDS為某值，使iD等于一微小電流時的vGS。,NMOS管負，PMOS管正,(耗盡型管參數),5.1.5 MOSFET的主要參數

46、,3. 飽和漏電流IDSS,IDSS,(耗盡型管參數),5.1.5 MOSFET的主要參數,4. 直流輸入電阻RGS,vDS=0，加一定的vGS時的柵源直流電阻。,柵極與源極、漏極、襯 底絕緣，柵極電流iG 很小， MOS管柵源直流電阻很大， 可達1091015。,這是MOS管一大優(yōu)點。,RGS=vGS / iG,vGS =5V,5.1.5 MOSFET的主要參數,二、交流參數 1. 輸出電阻rds,理想情況rds=,實際情況rds=幾十幾百k,vDS等于常數，漏極電流微變量和引起這個變化的柵 源電壓微變量之比。,5.1.5 MOSFET的主要參數,2. 低頻互導gm,反映柵源電壓對漏極電流的

47、 控制能力，表征放大能力的參數。,iD= gm vGS,一般 gm=0.幾幾mS,是轉移特性工作點的斜率。,Q,gm=(4.5-1)mA/4V =0.875mS,其中,5.1.5 MOSFET的主要參數,三、極限參數 1.最大漏極電流IDM,管子正常工作時允許 的漏極電流最大值。,2.最大耗散功率PDM,PDM= vDS iD,最高允許工作溫度時 的耗散功率。,3.最大漏源電壓V(BR)DS,是指發(fā)生雪崩擊穿， iD開始急劇上升時的漏源 電壓vDS。,安 全 區(qū),過損耗區(qū),擊 穿 區(qū),過流區(qū),5.1.5 MOSFET的主要參數,4.最大柵源電壓V(BR)GS,柵源間反向電流開始急劇增加時的vG

48、S值。,此外還有極間電容、最高工作頻率等參數。,參數表征了管子的性能，是選用管子的依據，使用時 不能超過極限參數。,部分場效應管的參數見P210 表5.1.1。,5.1.5 MOSFET的主要參數,例2,已知輸出特性，求互導。,gm=iD/vGS=(3-2)mA/(1-0)V=1mA/V=1mS,5.1.6 MOSFET的特點與命名,MOSFET有何特點？怎樣命名？,1. 幾點結論 2. MOSFET特點 3. 與BJT比較 4. 場效應管命名,5.1.6 MOSFET的特點與命名,1. 幾點結論,1)電壓控制電流型器件 漏極電流iD受柵源電壓vGS的控制，即iD隨vGS的變 化而變化，改變柵

49、源電壓就可改變漏極電流。,2)單極型器件 工作時只有一種載流子參與導電，N溝道為電子、P 溝道為空穴。,3)特性和性能表達 伏安關系特性可用特性方程或輸出特性曲線和轉移特 性曲線來描述，性能可用一系列參數來表征(見5.1.5)。,4) 漏源電壓vDS 的極性 取決于溝道類型：N溝道vDS0， P溝道vDS0。,iD= gm vGS,5.1.6 MOSFET的特點與命名,5) 柵源電壓vGS 的極性 取決于工作方式和溝道類型：增強型N溝道vGS0, P溝道vGS0；耗盡型N溝道vGS= +、0、-； P溝道 vGS= - 、0、+。,6) 漏極電流iD 和源極電壓iS 的方向 取決于溝道類型：

50、N溝道iD流入， iS流出； P溝道iD 流出， iS流入。,7) 開啟電壓VT和夾斷電壓VP的極性 取決于工作方式和溝道類型：增強型N溝道VT0， P溝道VT0。耗盡型N溝道VP0，P溝道VP0。,8) 截止和導通條件 取決于溝道類型：N溝道增強型vGSVT截止, vGS,5.1.6 MOSFET的特點與命名,VT導通(可變電阻區(qū)或飽和區(qū)，下同)；耗盡型vGS VP截止， vGSVP導通。P溝道增強型vGSVT截止， vGSVT導通；耗盡型vGSVP截止，vGSVP導通。,9)可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的條件 取決于溝道類型。預夾斷處是可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的 分界點，增強型vDS=vGS-VT，耗盡型vDS=vGS-VP。,N溝道增強型vGSVT、vDSvGS-VT在可變電阻 區(qū)， vGSVT、 vDSvGS-VT在飽和區(qū)。 N溝道耗盡型vGSVP、 vDSvGS-VP在可變電阻 區(qū)， vGSVP、 vDSvGS-VP在飽和區(qū)。,P溝道增強型vGSVT、vDSvGS-VT在可變電阻 區(qū)， vGSVT、 vDSvGS-VT在飽和區(qū)。,5.1.6 MOSFET的特點與命名,P溝道耗盡型vGSVP、vDSvGS-VP在可變電阻 區(qū)， vGSVP、 vDSvGS-VP在飽和