MOS场效应管（课堂PPT）

1、12 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。目前制造大规模集成电路的主要有源器件。 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。MOS场效应管场效应管结型场效应管结型场效应管3P沟道（沟道（PMOS） N沟道（沟道（NMOS） P沟道（沟道（PMOS） N沟道（沟道（NMOS） 增强型（增强型（EMOS）

2、 耗尽型（耗尽型（DMOS） N沟道沟道MOS管与管与P沟道沟道MOS管工作原理相似，不管工作原理相似，不同之处仅在于同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。此导致加在各极上的电压极性相反。 4N+N+P+P+PUSGDq N沟道沟道EMOSFET结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P P型硅型硅 衬底衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度5 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )。 U

3、接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连( (保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏) )。 VGS 0 ( (形成导电沟道形成导电沟道) )PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGSq N沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理栅栅 衬之间衬之间相当相当于以于以SiO2为介质为介质的平板电容器。的平板电容器。6 N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假设假设VDS =0，讨论，讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGS形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与PN结相通结相通VGS 衬底表面层中衬底表面层中负离子负离子 、电子、电子

4、 VGS 开启电压开启电压VGS(th)形成形成N型导电沟道型导电沟道表面层表面层 npVGS越大，反型层中越大，反型层中n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。反型层反型层7 VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS VGS(th) 且保持不变）且保持不变） VDS很小时很小时 VGD VGS 。此时此时W近似不变，即近似不变，即Ron不变。不变。由图由图 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID线性线性 。 若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- +

5、- + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 8 当当VDS增加到增加到使使VGD =VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若VDS 继续继续 A点左移点左移出现夹断区出现夹断区此时此时 VAS =VAG +VGS =- -VGS(th) +VGS （恒定）（恒定）若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即不变（即Ron不变）。不变）。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + APP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + AVDS ID 基本维

6、持不变。基本维持不变。 9 若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应则则VDS 沟道长度沟道长度l 沟道电阻沟道电阻Ron略略 。因此因此 VDS ID略略 。由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS 变化变化的关系曲线：的关系曲线：IDVDS0VGS VGS(th)VGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。10 MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称称单极型器件。单极型器件。 三极三极管中多子、少子同时参与导电，故称管中多子、少子同时参与导电，故称双双极型器件。极型器件。 利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压利

7、用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：工作原理：11 由于由于MOS管栅极电流管栅极电流为零，故不讨论输入特为零，故不讨论输入特性曲线。性曲线。 共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID= f ( VGS )VDS = 常数常数转移特性：转移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常数常数输出特性：输出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+- - - 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，转移特性与输出特性反

8、映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。它们之间可以相互转换。 12 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线q 非饱和区非饱和区特点：特点：ID同时受同时受VGS与与VDS的控制。的控制。当当VGS为常数时，为常数时，VDSID近似线性近似线性 ，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V当当VDS为常数时，为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。，表现出一种压控电阻的特性。 沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th) V DS VGS(t

9、h) V DS VGSVGS(th) 考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。的增加略有上翘。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。15数学模型：数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：的修正方程： 工作在工作在饱和区时，饱和区时，MOS管的正向受控作用，服管的正向受控作用，服从平方律关系式：从平方律关系式：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VV

10、VlWC其中：其中： 称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与l 有关。有关。通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -116q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于MOS管三个电极断开。管三个电极断开。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件： VGS VGS(th) ID=0=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG0，ID0q 击穿区击穿区 VDS增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬PN结雪崩击穿结雪崩击穿 ID剧增。剧增。 VDS沟道沟道 l 对于对于l 较小的较小的

11、MOS管管穿通击穿。穿通击穿。17 由于由于MOS管管COX很小，因此当带电物体（或人）很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生绝缘层中将产生很大的电压很大的电压VGS(=Q /COX)，使，使绝缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成MOS管永久性损坏管永久性损坏。MOS管保护措施：管保护措施：分立的分立的MOS管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地。各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：集成电路：TD2D1D1 D2一方面限制一方面限制VGS间间最大电压，同时对感最大电压，同时对感 生生电荷起旁路作用。电荷起旁路作用。18 NEMOS管

12、转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th) = 3VVDS = 5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制作的控制作用用, ,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS = 5VID/mAVGS /V012345 转移特性曲线中转移特性曲线中, ,ID = =0 时对应的时对应的VGS值值, ,即开启即开启电压电压VGS（th） 。19q 衬底效应衬底效应 集成电路中，许多集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证管做在同一衬底上，为保证U与与S、D

13、之间之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电沟道）或最高电位（位（P沟道）。沟道）。 若若| VUS | - - +VUS耗尽层中负离子数耗尽层中负离子数 因因VGS不变（不变（G极正电荷量不变）极正电荷量不变）ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V- -4V根据衬底电压对根据衬底电压对ID的控制作用，又的控制作用，又称称U极为极为背栅极。背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻挡层宽度阻挡层宽度 表面层中表面层中电子电子数数 20q P沟道沟道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - SGUDNN

14、+P+SGDUP+N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、负、零均可。正、负、零均可。外部工作条件：外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的管在饱和区与非饱和区的ID表达式表达式与与EMOS管管相同相同。PDMOS与与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。的差别仅在于电压极性与电流方向相反。23q 电路符号及电流流向电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移特性转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0

15、VGS(th)IDVGS0VGS(th)24q 饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型N沟道：沟道：VDS 0， P沟道沟道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 饱和区（放大区）工作条件饱和区（放大区）工作条件|VDS | |VGS(th) |，q 非饱和区（可变电阻区）数学模型非饱和区（可变电阻区）数学模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI26q FET FET直流简化电路模型直流简化电路模型( (与三极管相对照与三极管相对

16、照) ) 场效应管场效应管G、S之间开路之间开路 ，IG 0。三极管发射结由于正偏而导通，等效三极管发射结由于正偏而导通，等效为为VBE(on) 。 FET输出端等效为输出端等效为压控压控电流源，满足平方律方程：电流源，满足平方律方程： 三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源，满足电流源，满足IC= IB 。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -27q MOS MOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型( (与三极管对照与三极管对照) ) gmvgsrdsgdsicvgs-

17、-vds+- - rds为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻： 由于场效应管由于场效应管IG 0，所以输入电阻，所以输入电阻rgs 。而三极管发射结正偏，而三极管发射结正偏，故输入电阻故输入电阻rb e较小。较小。)/(1CQceIr与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 相似。相似。)/(1DQdsIrrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e28 MOS管跨导管跨导QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三极管三极管跨导跨导CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨导比管的跨

18、导比三极管的三极管的跨导要小一个跨导要小一个数量级以上，即数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。29q 计及衬底效应的计及衬底效应的MOS管简化电路模型管简化电路模型 考虑到衬底电压考虑到衬底电压vus对漏极电流对漏极电流id的控制作用，小信的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu称背栅跨导，称背栅跨导，工程上工程上mQusDmugvig 为常数，为常数，一般一般 = 0.1 0.230q MOS管高频小信号电路模型管高频小信号电路模型 当高频应

19、用、需计及管子极间电容影响时，应采当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs栅源极间栅源极间平板电容平板电容漏源极间电容漏源极间电容（漏衬与（漏衬与源衬之间的势垒电容）源衬之间的势垒电容）栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容31 场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用相似，可以采用估算法估算法分析电路直流工作点；采分析电路直流工作点；采用用小信号等效电路法小信号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。 场效应管估算法分析

20、思路与三极管相同，场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由只是由于于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。定要注意自身特点。q 估算法估算法32 MOS管截止模式判断方法管截止模式判断方法假定假定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饱和模式非饱和模式（需重新计算需重新计算Q Q点点）N沟道管沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件 非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)a)由直流通路

21、写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式。之间关系式。c)c)联立解上述方程，选出合理的一组解。联立解上述方程，选出合理的一组解。d)d)判断电路工作模式：判断电路工作模式：若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。假设成立。34q 小信号等效电路法小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。 利用微变等效电路分析交流指标。利用微变等效电路分析交流指标。 画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号电路模型代替用小信号电路模型代替 计算微变参数计算微变参数gm、rds注：具体分析将在第四章中详细介绍。注：具体分析将在第四章中详细介绍。35q JFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD36q N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0 ( (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏) )VGS VGS(off) V DS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在饱和区，在饱和区，JFET的的ID与与VGS之间也满足平方律关系，但由于之间也满足平方律关系，但由于JFET与与MOS管结构不同，故管结构