1、南昌大學低頻課件概述南昌大學低頻課件概述場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規模集成電路的主要有源器件。大規模集成電路的主要有源器件。場效應管與三極管主要區別：場效應管與三極管主要區別： 場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。 場效應管是單極型器件場效應管是單極型器件( (三極管是雙極型器件三極管是雙極型器件) )。場效應管分類：場效應管分類：MOS 場效應場效應管管結型場效應管結型場效應管3.1MOS

2、場效應管場效應管P 溝道溝道N 溝道溝道P 溝道溝道N 溝道溝道MOSFET增強型增強型( (EMOS) ) 耗盡型耗盡型( (DMOS) ) N 溝道溝道 MOS 管與管與 P 溝道溝道 MOS 管工作原理相似，管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質不同，因此不同之處僅在于它們形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。導致加在各極上的電壓極性相反。 N+N+P+P+PBSGD 增強型增強型 MOS 場效應管場效應管q N 溝道溝道 EMOSFET 結構示意圖結構示意圖源極源極漏極漏極襯底極襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極P 型硅型硅 襯底襯底SG

3、BD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度 N 溝道溝道 EMOS 管管外部工作條件外部工作條件 vDS 0 ( (形成漏極流向源極的電流形成漏極流向源極的電流) ) B 接電路最低電位或與接電路最低電位或與 S 極相連極相連( (保證源、漏與襯保證源、漏與襯 PN 結反偏結反偏) ) vGS 0 (形成導電溝道形成導電溝道)PP+N+N+SGDBvDS- + - + - +- + vGSq N溝道溝道 EMOS 管管工作原理工作原理柵柵-襯之間襯之間相當于相當于以以 SiO2 為介質的為介質的平板電容器。平板電容器。 N 溝道溝道 EMOSFET 溝道形成原理溝道形成原理 假設

4、假設 vDS = 0，討論，討論 vGS 作用作用PP+N+N+SGDBvDS = 0- + - + vGS形成空間電荷區形成空間電荷區并與并與 PN 結相通結相通vGS 襯底表面層中襯底表面層中負離子負離子 、電子、電子 vGS 開啟電壓開啟電壓VGS(th)形成形成 N 型導電溝道型導電溝道表面層表面層 npvGS 越大，反型層中越大，反型層中 n 越多，導電能力越強。越多，導電能力越強。反型層反型層)()(thGSGSoxnVvCQ單位面積柵電容：單位面積柵電容：溝道中導電載流子濃度：溝道中導電載流子濃度：oxoxoxtKC0 vDS 對溝道的控制對溝道的控制( (假設假設 vGS VG

5、S(th) 且保持不變且保持不變) ) vDS 很小時很小時 vGD vGS 。此時。此時 W 近似不變，即近似不變，即 Ron 不變。不變。由圖由圖vGD = vGS - - vDS因此因此 vDS iD 線性線性 。 若若 vDS 則則 vGD 近漏端溝道近漏端溝道W Ron增大。增大。此時此時 Ron iD 變慢。變慢。PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + 當當 vDS 增加到增加到使使 vGD = VGS(th) 時時 A 點出現點出現預夾斷預夾斷 若若 vDS 繼續繼續 A 點左移點左移 出

6、現夾斷區出現夾斷區此時此時 vAS = vAG + vGS = - -VGS(th) + vGS ( (恒定恒定) )若忽略溝道長度調制效應，則近似認為若忽略溝道長度調制效應，則近似認為 l 不變不變( (即即 Ron不變不變) )。因此預夾斷后：因此預夾斷后：PP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + APP+N+N+SGDBvDS- + - + vGS- + - + AvDS iD 基本維持不變。基本維持不變。 若考慮溝道長度調制效應若考慮溝道長度調制效應則則 vDS 溝道長度溝道長度 l 溝道電阻溝道電阻 Ron略略 。因此因此 vDS iD 略略 。由上述分析可描

7、繪出由上述分析可描繪出 iD 隨隨 vDS 變化的關系曲線：變化的關系曲線：iDvDSOvGS VGS(th)vGS一定一定曲線形狀類似三極管輸出特性。曲線形狀類似三極管輸出特性。 MOS 管僅依靠一種載流子管僅依靠一種載流子( (多子多子) )導電導電，故稱，故稱單極單極型器件。型器件。 三極管中多子、少子同時參與導電，故稱三極管中多子、少子同時參與導電，故稱雙極型器件。雙極型器件。利用半導體表面的電場效應，通過柵源電壓利用半導體表面的電場效應，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，控制漏極電流寬窄，控制漏極電

8、流 iD 。MOSFET 工作原理：工作原理：由于由于 MOS 管柵極電管柵極電流為零，故不討論輸入特流為零，故不討論輸入特性曲線。性曲線。 共源組態特性曲線：共源組態特性曲線：iD = f ( vGS )vDS = 常數常數轉移特性：轉移特性：iD = f ( vDS )vGS = 常數常數輸出特性：輸出特性：q 伏安特性伏安特性+TvDSiG 0vGSiD+- - -轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程，它們之間可以相互轉換。它們之間可以相互轉換。 NEMOS 管輸出特性曲線管輸出特性曲線q 非飽和區非飽和區特點：特點：iD 同時受同時受

9、vGS 與與 vDS 的控制。的控制。當當 vGS為常數時，為常數時，vDSiD 近似線性近似線性 ，表現為一種電阻特性；，表現為一種電阻特性； 當當 vDS為常數時，為常數時，vGS iD ，表現出一種壓控電阻的特性。，表現出一種壓控電阻的特性。 溝道預夾斷前對應的工作區。溝道預夾斷前對應的工作區。條件：條件：vGS VGS(th) v DS VGS(th) vDS vGS VGS(th)考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨考慮到溝道長度調制效應，輸出特性曲線隨 VDS 的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區注意：飽和區( (放大區放大區) )對應對應三極管的放大區。三極管的放大區。

10、數學模型：數學模型：若考慮溝道長度調制效應，則若考慮溝道長度調制效應，則 ID 的修正方程：的修正方程： 工作在飽和區時，工作在飽和區時，MOS 管的正向受控作用，服從管的正向受控作用，服從平方律關系式：平方律關系式：2GS(th)GSOXnD)(2VvlWCiADS2GS(th)GSOXnD1)(2VvVvlWCiDS2GS(th)GSOXn1)(2vVvlWC其中，其中， 稱稱溝道長度調制系數，其值與溝道長度調制系數，其值與 l 有關。有關。 iD隨溫度升高而下降的負溫度特性，與三極管相隨溫度升高而下降的負溫度特性，與三極管相反，有利于提高管子的熱穩定性。反，有利于提高管子的熱穩定性。q

11、截止區截止區特點：特點：相當于相當于 MOS 管三個電極斷開。管三個電極斷開。 iD/mAvDS /VOvDS = vGS VGS(th)vGS = 5 V3.5 V4 V4.5 V溝道未形成時的工作區溝道未形成時的工作區條件：條件：vGS VGS(th) iD = 0 以下的工作區域。以下的工作區域。iG 0，iD 0q 擊穿區擊穿區 vDS 增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯 PN 結雪崩擊穿結雪崩擊穿 iD 劇增。劇增。 vDS 溝道溝道 l 對于對于 l 較小的較小的 MOS 管管 穿通擊穿。穿通擊穿。由于由于 MOS 管管 COX 很小，因此當帶電物體很小，因此當帶電物體(或人或人

12、)靠靠近金屬柵極時，感生電荷在近金屬柵極時，感生電荷在 SiO2 絕緣層中將產生很大的絕緣層中將產生很大的電壓電壓 VGS(= Q /COX)，使，使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，造成 MOS 管永久管永久性損壞性損壞。MOS 管保護措施：管保護措施：分立的分立的 MOS 管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS 集成電路：集成電路：TD2D1D1、D2 限制限制 vGS 間最大電壓間最大電壓 NEMOS 管轉移特性曲線管轉移特性曲線VGS(th) = 3VvDS = 5 V轉移特性曲線反映轉移特性曲線反映 vDS 為常數時，為常數時，vGS 對對 iD 的控制作的

13、控制作用，可由輸出特性轉換得到。用，可由輸出特性轉換得到。 iD/mAvDS /VOvDS = vGS VGS(th)vGS = 5 V3.5 V4 V4.5 VvDS = 5 ViD/mAvGS /VO12345轉移特性曲線中，轉移特性曲線中，iD = 0 時對應的時對應的 vGS 值，即開啟值，即開啟電壓電壓 VGS(th) 。q 襯底效應襯底效應集成電路中，許多集成電路中，許多 MOS 管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證 B 與與 S、D 之間之間 PN 結反偏，襯底應接電路最低電位結反偏，襯底應接電路最低電位( (N 溝道溝道) )或最高或最高電位電位( (P 溝道溝道)

14、 )。 若若| vBS | - - +vBS耗盡層中負離子數耗盡層中負離子數 因因 vGS 不變不變( (G 極正電荷量不變極正電荷量不變) )iD vBS = 0iD/mAvGS /VO- -2V- -4V根據襯底電壓對根據襯底電壓對 iD 的控制作用，又稱的控制作用，又稱 B 極為極為背柵極。背柵極。PP+N+N+SGDBvDSvGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層中電子電子數數 q P 溝道溝道 EMOS 管管+ -+ - vGSvDS+ - + - NN+P+SGDBP+N 溝道溝道 EMOS 管與管與 P 溝道溝道 EMOS 管工作原理相似。管工作原理相似。即

15、即 vDS 0 、vGS 0，vGS 正、負、零均可。正、負、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS 管在飽和區與非飽和區的管在飽和區與非飽和區的 iD 表達式表達式與與 EMOS管管 相同相同。PDMOS 與與 NDMOS 的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。q MOSFET大信號電路模型大信號電路模型 場效應管場效應管 G、S 之間開路之間開路 ，IG 0。三極管發射結由于正偏而導通，等效為三極管發射結由于正偏而導通，等效為 VBE(on) 。 FET 輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等

16、效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足 IC = IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -飽和區飽和區三極管三極管MOS小信號電路模型小信號電路模型q MOS 管飽和區小信號電路模型管飽和區小信號電路模型gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- - rds 為為場效應管場效應管輸出電阻：輸出電阻： 由于場效應管由于場效應管 iG 0，所以輸入電阻，所以輸入電阻 rgs 。而三極管發射結正偏，而三極管發射結正偏，故輸入電阻故輸入電阻 rb e 較小。較小。與三極管

17、與三極管輸出電阻表達式輸出電阻表達式 rce 1/( ICQ) 相似。相似。)/(1DQdsIivrQDDSrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e（ 溝道長度調制系數，溝道長度調制系數， =1/VA）三極管三極管飽和區飽和區dsQDSDgsQGSDDQDvvivviIi MOS 管跨導管跨導QGSDmvig 2GS(th)GSOXD)(2 VvlWCi利用DQOXQGSDm22 IlWCvig 得得TCQVIrvigeQEBCm 三極管跨導通常通常 MOS 管的跨導比三極管的跨導要小一個數管的跨導比三極管的跨導要小一個數量級以上，即量級以上，即 MOS 管放大能力比

18、三極管弱。管放大能力比三極管弱。q 計及襯底效應的電路模型計及襯底效應的電路模型（襯底與源極不相連）（襯底與源極不相連）考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓 vBS 對漏極電流對漏極電流 iD 的控制作用，小的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源信號等效電路中需增加一個壓控電流源 gmbvbs。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmbvbsgmb 稱背柵跨導，稱背柵跨導，工程上工程上mQBSDmbgvig 為常數，為常數，一般一般 = 0.1 0.2。q MOS 管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型當高頻應用，需考慮管子極間電容影響，應采用如當高頻應用，需考慮管子極間電

19、容影響，應采用如下高頻等效電路模型。下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間電容柵源極間電容（平板電容）（平板電容）漏源極間電容漏源極間電容( (漏襯與源漏襯與源襯之間的勢壘電容襯之間的勢壘電容) )柵漏極間電容柵漏極間電容( (柵漏交柵漏交疊和邊界電容疊和邊界電容) )q MOS 管非飽和區等效模型管非飽和區等效模型工作于非飽和區的工作于非飽和區的MOSFET的低頻小信號模的低頻小信號模型等效為一個型等效為一個線性電阻線性電阻。GS(th)GSOXn1VVWClrdsq MOSFET MOSFET高頻性能高頻性能gdgsmTCCgw四

20、種四種 MOS 場效應管比較場效應管比較q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGBDiDSGBDiDBSGDiDSGBDiDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 轉移特性轉移特性iDvGSOVGS(th)iDvGSOVGS(th)iDvGSOVGS(th)iDvGSOVGS(th)q 飽和區飽和區( (放大區放大區) )外加電壓極性及數學模型外加電壓極性及數學模型 vDS 極性取決于溝道類型極性取決于溝道類型N 溝道：溝道：vDS 0， P 溝道：溝道：vDS |VGS(th) |，|vDS | | vGS VGS(th) |vGS| |VGS(th) | ，q 飽和區飽和區( (放

21、大區放大區) )工作條件工作條件|vDS | |VGS(th) |，q 非飽和區非飽和區( (變阻區變阻區) )數學模型數學模型DSGS(th)GSOXnD)(vVvlWCi MOS 管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定 MOS 管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非飽和模式非飽和模式( (需重新需重新計算計算 Q 點點) )N 溝道管：溝道管：VGS VGS(th)截止條件截止條件 非飽和與飽和非飽和與飽和( (放大放大) )模式判斷方法模式判斷方法a) )由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路 VGS與與 ID 之間關系式。之間關系式。c) )聯立解上述方程，

22、選出合理的一組解。聯立解上述方程，選出合理的一組解。d) )判斷電路工作模式：判斷電路工作模式：若若 |VDS| |VGSVGS(th)| 若若 |VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設成立。假設成立。q 小信號等效電路法小信號等效電路法場效應管小信號等效電路分析法與三極管相似。場效應管小信號等效電路分析法與三極管相似。 分析交流指標。分析交流指標。 畫交流通路；畫交流通路； 將將 FET 用小信號電路模型代替；用小信號電路模型代替； 計算微變參數計算微變參數 gm、rds；注：具體分析將在第注：具體分析將在第 4 章中詳細介紹。章中詳細介紹。3.2結型場效應管結型場效

23、應管q JFET 結構示意圖及電路符號結構示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN 溝道溝道 JFETP 溝道溝道 JFETN+N+PGSDq N溝道溝道 JFET 管管外部工作條件外部工作條件 vDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏 PN 結反偏結反偏) )vGS VGS(off)v DS VGS(off)vDS vGSVGS(off)在飽和區，在飽和區，JFET 的的 iD 與與 vGS 之間也滿足平方律關系之間也滿足平方律關系，但由于，但由于 JFET 與與 MOS 管結構不同，故方程不同。管結構不同，故方程不同。q 截止區截止區特點：特點：溝道全夾斷的工作區溝道全夾斷的工作區條件：條

24、件：vGS 0，iD 流入管子漏極。流入管子漏極。 P 溝道溝道 FET：vDS vGS vGS(th)因此因此當當 vGS vGS(th) 時時N 溝道溝道 EMOS 管管工作在飽和區。工作在飽和區。伏安特性：伏安特性：2GS(th)OXn)(2VvlWCi iDvGSVQIQQ直流電阻：直流電阻：QQ/ IVR 交流電阻：交流電阻：ivr /Tvi+- -+- -vRiq N 溝道溝道 DMOS 管管 GS 相連相連構成有源電阻構成有源電阻v = vDS ，vGS = 0 ，i = iD由圖由圖因此，當因此，當 vDS 0 vGS(th) 時，管子工作在飽和區。時，管子工作在飽和區。伏安特性即伏安特性即 vGS = 0 時的輸出特性。時的輸出特性。由由2GS(th)GSOXn)(2VvlWCi 得知得知當當 vGS = 0 時，電路近似恒流輸出。時，電路近似恒流輸出。iDvDSVQIQQ VGS(th)vGS= 0Tvi+- -+- -vRiq 有源電阻有源電阻 構成分壓器構成分壓器若兩管若兩管 n 、 COX 、VGS(th)相同，則相同，則聯立求解得：聯立求解得：T1V1I1+- -I2V2+- -VDDT2由圖由圖I1 = I2V1 + V2 = VDD2GS(th)22OXn2GS(th)11OXn)()(2)