湖南大学电子线路课件3(场效应管)

第三章场效应管场效应管有:结型场效应管JFET金属-氧化物-半导体型场效应管MOSFET3.1MOS场效应管MOS场效应管分：增强型EMOS，又分N管和P管耗尽型DMOS，又分N管和P管电路符号：P沟道耗尽型P沟道增强型N沟道增强型N沟道耗尽型

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上覆盖一层金属铝作为栅极G(目前多采用多晶硅)。P型半导体称为衬底，用符号B表示。3.1.1EMOS场效应管结构

通常情况下，源极一般都与衬底极相连；正常工作时，作为源、漏区的两个N+区与衬底之间的PN结必须外加反偏电压。一、截止区与沟道形成VGS(th):开启电压，是开始形成反型层所需的vGS值。SiO2绝缘层越薄，两个N+区的掺杂浓度越高，衬底掺杂浓度越低，VGS(th)越小。3.1.2EMOS场效应管工作原理(N沟道)

二、vGS>VGS(th)，0<vDS<vGS－VGS(th)

三、vGS>VGS(th)，vDS>vGS－VGS(th)

栅极和沟道的压差在近源端最大，在近漏端最小，vGD＝vGS-vDS，因此沟道呈锥形分布，电流同时受vGS和vDS控制。当vDS=vGS-VGS(th)时，近漏端沟道夹断。夹断后，沟道长度几乎不变，且vGA＝VGS(th)，vAS＝vGS-VGS(th)，沟道电流iD不再随vDS的变化而变化，只受vGS控制。但若考虑沟道长度调制效应(夹断点A会随着vDS的增加而向源极移动)，当vGS一定时，iD会随着vDS的增加而略微增加。工作原理总结通过上面讨论可以看到(ENMOS)：VGS(th)是沟道刚形成时所需的VGS，与N+和衬底的搀杂浓度,Gate下SiO2的厚度，温度等因素有关；VGS控制MOS管的导电沟道深度，VGS越大，沟道越深，导电能力越强，VGS对沟道电流的控制是MOS管的主要受控作用，也是实现放大器的基础；VGS一定，满足VGS>VGS(th),在VDS<VGSVGS(th)时,随着VDS的增加，由于沟道没有夹断，沟道电阻变化不大，沟道电流呈线性增加，当VDS>VGSVGS(th)时，夹断点到Ｓ的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件,源漏极可以互换。3.1.3EMOS场效应特性

一、伏安特性

转移特性曲线输出特性曲线非饱和区：vGS>VGS(th)0<vDS<vGS－VGS(th)

饱和区：vGS>VGS(th)

vDS>vGS－VGS(th)

截止区：iD=0击穿区：vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阀区或弱反型层区。静电保护：当带电物体或人靠近金属栅极时，瞬间产生过大的栅源电压vGS，引发SiO2绝缘层击穿，从而造成器件永久性损坏。为防止这种损坏，MOS集成电路的输入级器件常常在其栅源极间接入两只背靠背的稳压二极管，利用稳压管的击穿特性，限制由感生电荷产生的vGS值。二、衬底效应

某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th)相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。3.1.4DMOS场效应管一、结构

二、伏安特性

(NDMOS)耗尽型MOS管在衬底表面扩散一薄层与衬底导电类型相反的掺杂区，作为漏、源区之间的导电沟道，vGS＝0时导电沟道已形成。N沟道DMOS的VGS(th)<0。P沟道DMOS的VGS(th)>0。二者伏安特性相似，仅是电压极性和电流方向相反。3.1.5场效应管等效电路一、大信号模型

非饱和区：

vDS很小，忽略二次项

饱和区：

vDS=vGSvGS(th)

计及沟道长度调制效应MOS管看作电压控制电流源：沟道长度调制系数

例在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子参数为CoxW/(2l)＝0.25

mA/V2，VGS(th)＝2V，试求ID。解

设MOS管工作在饱和区，舍去二、小信号模型

1．饱和区小信号模型

MOS管:三极管:

直流工作点电流改变相同量时，三极管的跨导变化比MOS管更快。在数值上，直流工作点电流相同时，三极管的跨导变化比MOS管大。计及沟道长度调制效应与得到的结果一致考虑衬底效应：表示为电压控制电压源：gmb为衬底跨导，也称背栅跨导高频小信号模型：LOV是根据经验值推导得到的栅极与源极或漏极交叠长度。为栅极与衬底之间电容。分别是漏区与衬底和源区与衬底之间PN结的势垒电容。当源极和衬底相连时，MOS管高频小信号模型可以简化为：源极和衬底相连MOS管截止频率：2．非饱和区小信号模型

工作于非饱和区的MOS场效应管的低频小信号模型等效为一个电阻

高频小信号模型:Ｎ沟道：衬底接最低电位，iD为电子电流，

vDS>0，vGS正向增加，iD增加；Ｐ沟道：衬底接最高电位，iD为空穴电流，vDS<0，vGS负向增加，iD增加。二者的大信号和小信号等效模型相同；目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，适用于计算机仿真，该模型已成为一种工业标准。3.1.7器件小结四种MOS管比较3.3场效应管应用原理3.3.1有源电阻N沟道EMOS管构成有源电阻：注意区分有源电阻的直流电阻和交流电阻。伏安特性：N沟道DMOS管构成有源电阻：用有源电阻接成的分压器：若两管工艺参数相同，则3.3.2MOS开关NMOS管工作在非饱和区，导通电阻：由于vGSvG-vI，vGS随着vI的增大而减小，使Ron增大，当vGS接近VGS(th)时，Ron迅速增大。同理，若采用PMOS开关，Ron随着vI的减小而增加。NMOS导通电阻CMOS开关导通电阻MOS开关应用举例：开关电容电路S1和S2轮流导通，在一个时钟周期内从输入端到输出端的平均电流为该开关电容电路可等效为一个电阻3.3.3逻辑门电路一、CMOS反相器逻辑符号电路二、CMOS或非门

逻辑符号电路三、CMOS与非门

逻辑符号电路四、CMOS传输门

逻辑符号电路五、锁存器

结构图电路图器件部分小结半导体物理基础知识了解：本征半导体杂质半导体本征激发掺杂漂移、扩散本征热平衡载流子浓度质量作用定律电中性方程

了解：PN结的形成

二极管特点

单向导电性

掌握：PN结的特性

V-I击穿

电容

温度开关

二极管模型二极管三极管

了解：三极管结构载流子传输直流电流传输方程

掌握：三电流间的近似关系三极管特点正向受控作用三极管模型特性