电子线路高教第四电子课件七

第3章场效应管概述3.1

MOS场效应管3.2结型场效应管3.3场效管应用原理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第3章场效应管3.1MOS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。第3章场效应管N+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沟道宽度第3章场效应管

N沟道EMOS管外部工作条件VDS>0(保证栅漏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。第3章场效应管

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。反型层第3章场效应管VDS

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W

→Ron增大。此时Ron→ID变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第3章场效应管当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。

第3章场效应管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。第3章场效应管MOS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：第3章场效应管由于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。第3章场效应管

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；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。

第3章场效应管ID/mAVDS/VOVDS=VGS

–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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管工作在非饱和区时，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,SiO2层介电常数与厚度有关)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。第3章场效应管饱和区特点：

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。第3章场效应管数学模型：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-1第3章场效应管截止区特点：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。第3章场效应管由于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：TD2D1D1、D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。第3章场效应管

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)。第3章场效应管

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)IDVUS

=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第3章场效应管P沟道EM葛OS管+-

VGSVDS+-NN+P+SGDUP+N蚕沟道惜E循MO浮S欣管与坡P毅沟痒道凯EM枣OS辣管芳工作挠原理央相似稀。即VDS<放0牲、VGS<护0外加葬电压件极性摔相反险、电自流ID流向觉相反摆。不同梨之处毕：电路恼符号姜中的通箭头猜方向闲相反衰。SGUDID第触3晓章刚场效报应管3.宝1.捞2劈燕耗尽简型仔MO趋S您场效感应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOSDM旅OS管结仗构VGS=0时，导电沟道已存在对比增强型？沟道线是实线第葱3声章芳场效强应管ND眉MO淡S管伏安辽特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)VDS>胃0，VGS正、滔负、级零均偿可。外部名工作刘条件浆：DM超OS坑管督在饱娇和区怨与非疑饱和稼区的ID表达纲式与棍EM板OS词管相同。PD仆MO荣S活与璃ND鞋MO敏S客的差拔别仅鸡在于党电压统极性崭与电羞流方债向相倾反。第胞3肿章和场效明应管3.赌1.烟3寻四种晃M蜂OS摊场伪效应池管比寻较电路直符号练及电胁流流考向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS转移趁特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第衣3胜章馒场效大应管饱和巴区(放大底区)外加佣电压则极性秘及数我学模乡丰型VDS极性领取决注于沟丧道类港型N专沟道疫：VDS>袖0，汪P技沟道馒：VDS<暑0VGS极性嫁取决捕于工闪作方模式及诞沟道宝类型增强乓型股MO命S宝管：VGS与VDS极性桑相同趁。耗尽温型受MO现S躺管：VGS取值彼任意闹。饱和罚区数护学模削型与前管子捷类型谎无关第捎3喊章谅场效柄应管临界梳饱和羞工作济条件非饱抵和区(可变辉电阻恋区)工作裳条件|VDS|漠=怠|兵VGS–VGS念(t以h)||VGS|>|VGS锹(t至h)|，|VDS|>|踏VGS–VGS垫(t蚂h)||VGS|>|VGS岛(t玻h)|，饱和询区(放大死区)工作事条件|VDS|<|冈VGS–VGS让(t拉h)||VGS|>|VGS毒(t养h)|，非饱图和区(可变么电阻赢区)数学禽模型第洽3侨章斯场效这应管FE歉T直流沫简化权电路幻玉模型(与三私极管涂相对庭照)场效肯应管G、S之间杂开路醒，IG继0。三极艘管发灰射结肥由于磁正偏畜而导迟通，蜻等效蛋为VBE棉(o煌n)。FE急T输出话端等裕效为压控电流就源，厚满足炮平方鸡律方老程：三极失管输版出端槐等效抱为流控电流惧源，钻满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-第弃3熄章甲场效乳应管3.授1.扯4裹小信脾号电纱路模唉型MO抱S管简璃化小替信号府电路蹈模型(与三驴极管唤对照)gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-rds为场效淘应管输出呀电阻窝：由于委场效张应管IG需0，所以铜输入汇电阻rgs。而三迁极管盈发射娃结正汪偏，故输怎入电院阻rbe较小前。与三铅极管输出毙电阻彻表达害式rce列1/牧(ICQ)相似鲜。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe第煎3扣章闪场效你应管（——巡寿沟道深长度炮调制气系数旁，=－露1/那|VA|）MOS管跨导通常唉M侍OS自管口的跨喂导比拆三极气管的带跨导牢要小姜一个蒙数量脊级以国上，纤即MO住S光管放撑大能筛力比陷三极殿管弱捕。第缓3符章葡场效搁应管计及蚁衬底效应皆的MO什S管简丢化电丝式路模盾型（衬习底与岛源极伐不相梢连）考虑遥到衬驶底电苏压vus对漏非极电巾流id的控湖制作壮用，岂小信垦号等贝效电耀路中去需增鸡加一渡个压符控电箭流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上为常菠数，一般=千0.胀1激~债0晌.2。第鹊3独章恶场效谊应管MO降S管高求频小牢信号死电路惊模型当高列频应斩用、嗓需考波虑管队子极复间电饱容影俱响时蜜，应恩采用经如下丙高频捡等效饱电路槽模型龄。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)栅漏极间平板电容第百3惧章伪场效垃应管场效泻应管哗电路爱分析浇方法拖与三养极管丹电路帖分析慎方法其相似吼，可希以采筹用估算鹅法分析税电路苍直流召工作稼点；台采用小信宰号等种效电姓路法分析盆电路城动态万指标蜘。3.框1.驶5MO届S捷管电隆路分拨析方技法场效嗽应管络估算半法分舒析思腥路与杜三极春管相世同，纱只是溪由于嫁两种群管子泪工作栋原理供不同塔，从启而使逐外部双工作债条件冈有明驳显差荡异。席因此翁用估匀算法晓分析徒场效泉应管汁电路惊时，绸一定央要注桐意自袄身特止点。估算券法第扇3不章牵场效僻应管MO梢S管截止烈模式超判断戚方法假定耗M羊OS兵管加工作通在放逮大模刻式：放大台模式非饱究和模薯式(需彻重新计算Q点)N沟道管：VGS<VGS(th)P沟道管：VGS>VGS(th)截止条件非饱鼻和与瓣饱和(放大)模式同判断罚方法a)由直比流通冷路写南出管何外电呆路VGS与ID之间功关系禾式。c)联立围解上惨述方郊程，绑选出拿合理嚼的一她组解吴。d)判断述电路照工作侨模式尘：若|VDS|除>夜|VGS–VGS量(t告h)|若|VDS|呈<饰|VGS–VGS董(t弱h)|b)利用新饱和肿区数考学模权型：第读3拌章分场效消应管例饱1已知nCOXW/(恶2l)=0.粉25眠m总A/梅V2，VGS绘(t誓h)=2苍V，求ID。解：假设傍T饿工生作在袍放大护模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID代入责已知月条件辨解上环述方侵程组遭得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V(舍去)VDS=VDD-ID(RD+RS)虾=嗽6凯V因此验证舌得知勿：VDS>VGS–VGS陵(t陪h)，VGS>VGS职(t货h)，假设株成立贴。第浙3摊章言场效危应管小信搁号等左效电怖路法场效瘦应管正小信宣号等营效电疯路分桨析法研与三好极管赢相似握。利用宽微变催等效惠电路健分析凤交流显指标田。画交画流通踩路；将FE离T用小垫信号拔电路界模型原代替付；计算拳微变用参数gm、rds；注：取具体共分析押将在墓第爷4塑章中旬详细蹄介绍资。第谣3袋章拼场效亚应管3.梳2肆结型边场效膨应管JF猴ET结构继示意旺图及倦电路承符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD第停3叶章患场效蝇应管N沟道JF原ET管外部圾工作易条件VDS>引0(保证鹅栅漏耻P窃N准结反裁偏)VGS<馅0(保证肝栅源醉P听N传结反旅偏)3.颤2.启1铺JF锅ET怪管炎工作钉原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第钩3英章村场效息应管VGS对沟界道宽闯度的敬影响|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=终0NGSD

+

VGSP+P+N型沟道宽度沟道电阻Ron第蒸3赢章齿场效炊应管VDS很小滤时→VGDVGS由图VGD=婆VGS-VDS因此VDS→ID线性烤若VDS→则VGD→近漏溜端沟缝道→Ron增大笼。此时Ron→ID紫变慢VDS对沟怀道的需控制(假设VGS一定)NGSD

+VGSP+P+VDS+-此时W近似瓣不变即Ron不变第暮3捉章耻场效朗应管当VDS增加尺到使VGD只=VGS钳(o设ff磁)时→A点出榴现预醋夹断若VDS继续→A点下景移→出现从夹断扒区此时VAS=VAG+VGS=-VGS馅(o昨ff桶)+VGS(恒饰定)若忽郑略沟映道长酱度调裙制效想应，借则近现似认押为l不变(即Ron不变)。因此顿预夹怪断后抱：VDS增→ID基本聋维持河不变饥。NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第懒3脚章今场效洋应管利用会半导拦体内冶的电劝场效呈应，外通过别栅源粒电压VGS的变辱化，哪改变存阻挡针层的起宽窄茎，从筹而改粒变导胸电沟赏道的掌宽窄黎，控胜制漏膜极电徒流ID。JF货ET拖工庆作原站理：综上等所述宋，J庄FE茅T玩与锤MO坐SF糠ET宰工鸽作原辱理相础似，休它们疮都是诵利用摄电场干效应北控制风电流东，不旱同之茎处仅盗在于帮导电念沟道奏形成央的原馆理不塔同。第言3送章源场效艇应管NJ纯FE怨T输出露特性非饱有和区(可变砖电阻棚区)特点然：ID同时类受VGS与VDS的控雅制。条件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.叨2.灭2伏安谣特性括曲线线性交电阻剥：ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第深3华章笔场效峡应管饱和乏区(放大戚区)特点秤：ID只受VGS控制熊，而渠与VDS近似讽无关招。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学叔模型战：条件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在饱阿和区在，J删FE炕T筋的ID与VGS之间拜也满算足平葱方律探关系辣，但绍由于病J蚕FE源T火与跌MO化S短管结慎构不怜同，看故方艰程不宫同。第俯3厉章恩场效苹应管截止肆区特点源：沟道颂全夹腾断的属工作讨区条件用：VGS<VGS黄(o千ff蚁)IG0，ID=唇0击穿斜区VDS增大到一殖定值屑时辱近漏极横P碑N浆结雪垫崩击谱穿ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V叔造成ID剧增晴。VGS越负虑觉则VGD越负即印相钓应击穿宾电压V(B轮R)歇DS越小第付3供章瘦场效酿应管JF砍ET转移爆特性爸曲线同贺MO零S好管一映样，赴JF竖ET但的渡转移都特性圣也可琴由输性出特脱性转差换得舱到(略殊)。ID=挖0宪时对性应的VGS值夹断却电压VGS协(o腾ff秀)。VGS(off)ID/mAVGS/VOIDSS(N沟道JFET)ID/mAVGS/VOIDSSVGS(off)

(P沟道JFET

)VGS=呆0板时对锣应的ID值饱和恐漏电眼流IDS袍S。第万3退章音场效袋应管JF后ET为电渡路模拖型同宾M预OS瓶管冤相同宫。只漂是由伶于两怀种管胳子在却饱和飘区数滩学模躲型不曲同，村因此薪，跨碧导计名算公恒式不赢同。JF仓ET电路问模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD(共源极)(直流电路模型)(小信号模型)利用得第载3船章意场效占应管各类FE贞T管VDS、VGS极性庸比较VDS极性孙与ID流向悉仅取