场效应管工作原理与应用精品课件

3.2

结型场效应管3.3

场效管应用原理3.1

MOS场效应管第3章场效应管2021/8/231最新PPT概述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，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：

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)。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管2021/8/232最新PPT3.1

MOS场效应管P沟道(PMOS)

N沟道(NMOS)

P沟道(PMOS)N沟道(NMOS)MOSFET增强型(EMOS)

耗尽型(DMOS)

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于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。2021/8/233最新PPTN+N+P+P+PUSGD3.1.1增强型MOS场效应管N沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度2021/8/234最新PPT

N沟道EMOS管外部工作条件VDS>0(保证漏衬PN结反偏)。U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。VGS>0(形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N沟道EMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2

为介质的平板电容器。2021/8/235最新PPT

N沟道EMOSFET沟道形成原理

假设VDS=0，讨论VGS

作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层n>>pVGS

越大，反型层中n

越多，导电能力越强。反型层2021/8/236最新PPTVDS

对沟道的控制(假设VGS>VGS(th)

且保持不变)VDS

很小时→VGDVGS。此时W

近似不变，即Ron

不变。由图

VGD=VGS-VDS因此VDS→ID

线性。

若VDS→则VGD→近漏端沟道→Ron增大。此时Ron→ID变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+2021/8/237最新PPT

当VDS

增加到使VGD=VGS(th)

时→A点出现预夹断

若VDS

继续→A点左移→出现夹断区此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l

不变(即Ron不变)。因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID

基本维持不变。

2021/8/238最新PPT

若考虑沟道长度调制效应则VDS→沟道长度l→沟道电阻Ron略。因此VDS→ID

略。由上述分析可描绘出ID

随VDS变化的关系曲线：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。2021/8/239最新PPTMOS管仅依靠一种载流子(多子)导电，故称单极型器件。

三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。

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，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：2021/8/2310最新PPT由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线：ID=f

(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f

(VDS)VGS=常数输出特性：

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，它们之间可以相互转换。2021/8/2311最新PPT

NEMOS管输出特性曲线

非饱和区特点：ID

同时受VGS

与VDS

的控制。当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V当VDS为常数时，VGSID，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非饱和区又称为可变电阻区。

2021/8/2312最新PPT数学模型：此时MOS管可看成阻值受VGS

控制的线性电阻器：VDS很小MOS管工作在非饱区时，ID与VDS之间呈线性关系：其中，W、l为沟道的宽度和长度。COX

(=/OX)为单位面积的栅极电容量。注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。2021/8/2313最新PPT

饱和区特点：

ID

只受VGS

控制，而与VDS

近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)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。注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。2021/8/2314最新PPT数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则ID

的修正方程：工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：其中，称沟道长度调制系数，其值与l有关。通常

=(0.005~0.03)V-12021/8/2315最新PPT

截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作区域。IG

0，ID

0

击穿区VDS

增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿

ID剧增。VDS沟道l对于l较小的MOS管穿通击穿。2021/8/2316最新PPT由于MOS管COX

很小，因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2

绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。MOS管保护措施：分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：TD2D1D1D2

一方面限制VGS

间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。2021/8/2317最新PPT

NEMOS管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS

=5V转移特性曲线反映VDS

为常数时，VGS

对ID

的控制作用，可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS

值，即开启电压VGS(th)。2021/8/2318最新PPT

衬底效应

集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位(N沟道)或最高电位(P沟道)。若|VUS|

-+VUS耗尽层中负离子数因VGS

不变(G极正电荷量不变)ID

VUS

=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对ID

的控制作用，又称U极为背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度

表面层中电子数

2021/8/2319最新PPT

P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-

SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加电压极性相反、电流ID

流向相反。不同之处：电路符号中的箭头方向相反。ID2021/8/2320最新PPT3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOSDMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线2021/8/2321最新PPT

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>0，VGS

正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的

ID表达式与EMOS管

相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。2021/8/2322最新PPT3.1.3四种MOS场效应管比较

电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)2021/8/2323最新PPT

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N沟道：VDS>0，P沟道：VDS<0VGS

极性取决于工作方式及沟道类型增强型MOS管：VGS

与VDS

极性相同。耗尽型MOS管：VGS

取值任意。

饱和区数学模型与管子类型无关

2021/8/2324最新PPT

临界饱和工作条件

非饱和区(可变电阻区)工作条件|VDS|=|VGS–

VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

饱和区(放大区)工作条件|VDS|<|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，

非饱和区(可变电阻区)数学模型2021/8/2325最新PPTFET直流简化电路模型(与三极管相对照)

场效应管G、S之间开路，IG

0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on)。

FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：三极管输出端等效为流控电流源，满足IC

=

IB

。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-2021/8/2326最新PPT3.1.4小信号电路模型MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds

为场效应管输出电阻：

由于场效应管IG

0，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe

较小。与三极管输出电阻表达式rce1/(ICQ)

相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe2021/8/2327最新PPTMOS管跨导通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。2021/8/2328最新PPT

计及衬底效应的MOS管简化电路模型考虑到衬底电压vus

对漏极电流id

的控制作用，小信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，工程上

为常数，一般=0.1~0.2。2021/8/2329最新PPTMOS管高频小信号电路模型当高频应用、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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs栅源极间平板电容漏源极间电容(漏衬与源衬之间的势垒电容)栅漏极间平板电容2021/8/2330最新PPT场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。3.1.5

MOS管电路分析方法场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于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，一定要注意自身特点。

估算法2021/8/2331最新PPT

MOS管截止模式判断方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非饱和模式(需重新计算Q

点)N沟道管：VGS<VGS(th)P沟道管：VGS>VGS(th)截止条件

非饱和与饱和(放大)模式判断方法a)由直流通路写出管外电路VGS与ID

之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：若

|VDS|>|VGS–VGS(th)|若

|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用饱和区数学模型：2021/8/2332最新PPT例1已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，求ID。解：假设T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入已知条件解上述方程组得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD

-

ID(RD+RS)=6V因此验证得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假设成立。2021/8/2333最新PPT

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。

利用微变等效电路分析交流指标。

画交流通路；

将FET用小信号电路模型代替；

计算微变参数gm、rds；注：具体分析将在第4章中详细介绍。2021/8/2334最新PPT3.2结型场效应管JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD2021/8/2335最新PPT

N沟道JFET管外部工作条件VDS>0(保证栅漏PN结反偏)VGS<0(保证栅源PN结反偏)3.2.1

JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-2021/8/2336最新PPT

VGS

对沟道宽度的影响|VGS|

阻挡层宽度若|VGS|

继续沟道全夹断使VGS=VGS(off)夹断电压若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型沟道宽度沟道电阻Ron2021/8/2337最新PPTVDS

很小时→VGDVGS由图VGD=VGS

-VDS因此VDS→ID

线性

若VDS→则VGD→近漏端沟道→Ron

增大。此时Ron→ID变慢

VDS

对沟道的控制(假设VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此时W

近似不变即Ron

不变2021/8/2338最新PPT

当VDS

增加到使VGD=VGS(off)

时→A点出现预夹断

若VDS

继续→A点下移→出现夹断区此时VAS=VAG

+VGS

=-VGS(off)+VGS(恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l

不变(即Ron不变)。因此预夹断后：VDS→ID

基本维持不变。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A2021/8/2339最新PPT利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。JFET工作原理：综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。2021/8/2340最新PPT

NJFET输出特性

非饱和区(可变电阻区)特点：ID

同时受VGS

与VDS

的控制。条件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2

伏安特性曲线线性电阻：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V2021/8/2341最新PPT

饱和区(放大区)特点：ID

只受VGS

控制，而与VDS

近似无关。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学模型：条件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在饱和区，JFET的ID

与VGS

之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。2021/8/2342最新PPT

截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS<VGS(off)IG

0，ID=0

击穿区VDS

增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID

剧增。VGS

越负则VGD

越负相应击穿电压V(BR)DS

越小2021/8/2343最新PPT

JFET转移特性曲线同MOS管一样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。

ID=0时对应的VGS

值夹断电压VGS(off)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N沟道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P沟道JFET

)VGS=0时对应的ID

值饱和漏电流IDSS。2021/8/2344最新PPT

JFET电路模型同MOS管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。

JFET电路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源极)(直流电路模型)(小信号模型)利用得2021/8/2345最新PPT

各类FET管VDS、VGS

极性比较VDS极性与ID

流向仅取决于沟道类型VGS

极性取决于工作方式及沟道类型由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS

极性及ID

流向归纳如下：N沟道FET：VDS>0，ID

流入管子漏极。P沟道FET：VDS<0，ID

自管子漏极流出。JFET管：VGS

与VDS

极性相反。增强型：VGS

与VDS

极性相同。耗尽型：VGS

取值任意。MOSFET管2021/8/2346最新PPT

场效应管与三极管性能比较项目

器件电极名称工作区导电类型输入电阻跨导三极管e极b极c