1、3.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3 場(chǎng)效管應(yīng)用原理3.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管第三章 場(chǎng)效應(yīng)管 退出概 述 場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別： 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)管分類：MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 退出3.1 MOS場(chǎng)效應(yīng)管P溝道（PMOS） N溝道（NMOS） P溝道（PMOS） N溝道（NMOS） MOSFET增強(qiáng)型（EMOS） 耗盡型（DMOS） N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流

2、的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。 退出N+N+P+P+PUSGD3.1.1 增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(hào)l溝道長(zhǎng)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+

3、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 npVGS越大，反型層中n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。反型層 退出 VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS VGS(th) 且保持不變） VDS很小時(shí) VGD VGS 。此時(shí)W近似不變，即Ron不變。由圖 VGD = VGS - VDS因此 VDSID線性 。 若VDS 則VGD 近漏端溝道 Ron增大。此時(shí) Ron ID 變慢。PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + PP+N+N+SGDUVDS- + VGS- + 退出 當(dāng)VDS增加到使VGD =VG

4、S(th)時(shí) A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷 若VDS 繼續(xù)A點(diǎn)左移出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí) VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）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）。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(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)則VDS 溝道長(zhǎng)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

5、稱單極型器件。 三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。 利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時(shí)，VDSID近似線性

6、，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(shí)，VGS ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮到溝道長(zhǎng)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(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。 退出數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程： 工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS管的正向受控作用，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 有關(guān)。通常 =( 0.005 0.03 )V-

7、1 退出 截止區(qū)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)的工作區(qū)條件：VGS VGS(th) ID=0以下的工作區(qū)域。IG0，ID0 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(shí)，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(hù)措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD

8、2D1D1 D2一方面限制VGS間最大電壓，同時(shí)對(duì)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(shí)，VGS對(duì)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(shí)對(duì)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

9、 | - +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(duì)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，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3.1.3 四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較 電

10、路符號(hào)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 |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ， 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS | |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(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 ，I

11、G0。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3.1.4 小信號(hào)電路模型 MOS管簡(jiǎn)化小信號(hào)電路模型(與三極管對(duì)照) gmvgsrdsgdsicvgs-vds+- rds為場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻： 由于場(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達(dá)式 相似。rbercebceibic+-+vbevcegmvbe 退出 MOS管跨導(dǎo)利用得三極管跨

12、導(dǎo) 通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即MOS管放大能力比三極管弱。 退出 計(jì)及襯底效應(yīng)的MOS管簡(jiǎn)化電路模型 考慮到襯底電壓vus對(duì)漏極電流id的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一個(gè)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(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(shì)壘電容）柵漏極間平板電容 退出 場(chǎng)效應(yīng)管電路分析

13、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(diǎn)；采用小信號(hào)等效電路法分析電路動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3.1.5 MOS管電路分析方法 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管電路時(shí)，一定要注意自身特點(diǎn)。 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(jì)算Q點(diǎn)）N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| |VGSVGS

14、(th)| 若|VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設(shè)成立。 退出 小信號(hào)等效電路法場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)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(hào)電路模型代替 計(jì)算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細(xì)介紹。 退出3.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 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 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 VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(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(diǎn)：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS 0，ID流入管子漏極。 P溝道FET：VDS vGS vGS(th) 因此當(dāng) vGS vGS(th) 時(shí)N溝道EMOS管工作在飽和區(qū)。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流電阻：（小）交流電阻：（大）Tvi+-+-vRi 退出 N溝道DMOS管GS相連構(gòu)成有源電阻v = vDS ，vGS =0 ，i