模拟电子技术1[1]4场效应管课件教案

1、 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P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） 耗尽

2、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。 N+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 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接电路最低电

3、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。 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形成空间电荷区并与形成空间电荷区并与PN结相通（反型层）结相通（反型层）VGS 排斥空穴，吸引电子，衬排斥空穴，吸引电子，衬

4、底表层负离子底表层负离子 、电子、电子 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 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近似不变近似不变，即即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+SGDUVD

5、S- + - + VGS- + - + PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS- + - + 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- + -

6、 + AVDS ID 基本维持不变。基本维持不变。 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。 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

7、效应，通过栅源电压利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： 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

8、特性与输出特性反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。 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

9、VGS(th) 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。q 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

10、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MOS管管穿通击穿。穿通击穿。 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

11、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。 NEMOS管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） 。q P沟道沟道EMOS管

12、管+ -+ - VGSVDS+ - + - NN+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。q 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(

13、th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)q 饱和区（放大区）外加电压极性饱和区（放大区）外加电压极性 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 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+PGSDq N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工

14、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)q 截止区截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区沟道全夹断的工作区条件：条件： VGS 0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。 P沟道沟道FET：VDS 0，ID自管子漏极流出。自管子漏极流出。 JFET管管： VGS与与VDS极性相反。极性相反。 增强型：增强型：VGS 与与VDS 极性相同。极性相同。耗尽型：耗尽型：VGS 取值任意。取值任意。MOSFET管管1.4.3 场效应管的主要参数 1、直流参数 2、交流参数 3、极限参数1、直流参数()0

15、 , GSDSGS offuuU耗尽型场效应管： 时对应的漏极电流。DSSI（1） 饱和漏极电流 2 GSU（off）（ ） 夹断电压DSDGSuiu耗尽型场效应管：一定时，使 减小某一微小值 时所需的值。 GS thU（ ）（3） 开启电压DSDGSuiu增强场效应管：一定时，使 达到某一固定值 时所需的值。4 GSR（ ） 栅源电阻7910 10 GSGSGURI结型场效应管；绝缘栅型场效应管2. 交流参数(1) mDmDSGSGSDgiguuui低频跨导常数体现对 的控制作用(2) , gsgddsCCC极间电容包括极间电容越小, 高频性能越好3. (1) , DMDDDSDMDDMPPi uPPP极限参数漏极最大允许耗散功率若使管子温度升高, 容易损坏()(2) ,BR DSD