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結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1

MOS場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)三極管概述場(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(lèi)：MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1MOS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。N+N+P+P+PUSGD1.1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

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。

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（反型層）VGS排斥空穴，吸引電子，襯底表層負(fù)離子、電子VGS開(kāi)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(qiáng)。反型層

VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變）

VDS很小時(shí)

→

VGDVGS。此時(shí)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(shí)Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(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。

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(lèi)似三極管輸出特性。

MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱(chēng)單極型器件。

三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故稱(chēng)雙極型器件。

利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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：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(guò)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，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)，VGSID，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–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱(chēng)為可變電阻區(qū)。

飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類(lèi)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(duì)應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(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(chēng)有源區(qū)）對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。截止區(qū)特點(diǎn)：相當(dāng)于MOS管三個(gè)電極斷開(kāi)。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。IG≈0，ID≈0

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。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：TD2D1D1D2一方面限制VGS間最大電壓，同時(shí)對(duì)感生電荷起旁路作用。

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(kāi)啟電壓VGS（th）。

P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-NN+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(hào)中的箭頭方向相反。ID1.2耗盡型MOS場(chǎng)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(shí)，導(dǎo)電溝道已存在溝道線是實(shí)線

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。1.3四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

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

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性

VDS極性取決于溝道類(lèi)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(lèi)型增強(qiáng)型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。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)|，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

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)2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-

VGS對(duì)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

VDS很小時(shí)

→

VGDVGS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(shí)Ron→ID變慢

VDS對(duì)溝道的控制（假設(shè)VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時(shí)W近似不變即Ron不變當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(off)時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷若VDS繼續(xù)→A點(diǎn)下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時(shí)VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+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：VDS→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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(chǎng)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。

NJFET輸出特性非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點(diǎn)：ID同時(shí)受VGS與VDS的控制。條件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)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飽和區(qū)(放大區(qū))特點(diǎn)：ID只受VGS控制，而與VDS近似無(wú)關(guān)。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)截止區(qū)特點(diǎn)：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(shí)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

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