场效应管工作原理与应用PPT课件

1、-,1,3.2结型场效应管,3.3场效管应用原理,3.1MOS场效应管,第3章场效应管,-,2,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：,-,3,3.1MOS场效应管,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。,-,4,3.1.1增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,-,5,N沟道E

2、MOS管外部工作条件,VDS0(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)。,VGS0(形成导电沟道),N沟道EMOS管工作原理,-,6,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS=0，讨论VGS作用,VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。,-,7,VDS对沟道的控制(假设VGSVGS(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VDSID线性。,若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。,此时RonID变慢。,-,8,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

3、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：,VDSID基本维持不变。,-,9,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VDSID略。,由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：,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：,

4、-,11,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：,伏安特性,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。,-,12,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。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,-,13,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。,CO

5、X(=/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。,-,14,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。,沟道预夹断后对应的工作区。,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。,-,15,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=(0.0050.03)V-1,-,16,截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条

6、件：,VGSVGS(th),ID=0以下的工作区域。,IG0，ID0,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。,-,17,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：,D1D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。,-,18,NEMOS管转移特性曲线,VGS(th)=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时

7、，VGS对ID的控制作用，可由输出特性转换得到。,VDS=5V,转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。,-,19,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|,耗尽层中负离子数,因VGS不变(G极正电荷量不变),ID,根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。,阻挡层宽度,表面层中电子数,-,20,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即VDS0，P沟道：VDS|VGS(th)|，,|VDS|VGSVGS(th)|,|VGS|

8、VGS(th)|，,饱和区(放大区)工作条件,|VDS|VGS(th)|，,非饱和区(可变电阻区)数学模型,-,26,FET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，IG0。,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。,-,27,3.1.4小信号电路模型,MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照),rds为场效应管输出电阻：,由于场效应管IG0，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。,-,28,MO

9、S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。,-,29,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。,gmu称背栅跨导，工程上,为常数，一般=0.10.2。,-,30,MOS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。,-,31,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。,3.1.5MOS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

10、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,-,32,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),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|VGSVGS(th)|,若|VDS|VGSVGS(th)，,VGSVGS(th)，,假设成立。,-,34,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；,

11、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。,-,35,3.2结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,-,36,N沟道JFET管外部工作条件,VDS0(保证栅漏PN结反偏),VGS0(保证栅源PN结反偏),3.2.1JFET管工作原理,-,37,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,-,38,VDS很小时VGDVGS,由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性,若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。,此时RonID变慢,VDS对沟道的控制(假设VGS一定),此时W近似不变,即Ron不变,-,39,当VDS增加到使VGD=VGS(off)

12、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：,VDSID基本维持不变。,-,40,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。,-,41,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。,3.2.2伏安特性曲线,线性电阻：,-,42,饱和区(放大区),特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。,数学模型：,在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JF