金属氧化物半导体（MOS）场效应管

1、5 场效应管放大电路,场效应管是什么？场效应管的结构、工作原理、特性、参数(5.1、5.3.1、5.3.2、5.5.1) 场效应管有什么作用？场效应管的使用、选用、应 用(5.1.5、5.2、5.3.3、5.5.2),5 场效应管放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管 5.2 MOSFET放大电路 5.3 结型场效应管(JFET) *5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较,5 场效应管放大电路,本章内容,1. 了解 MOSFET (金属-氧化物-半导体场效应管)的结构和工作原理，掌握其符号、特性曲线、特性方程、参数和应用。 2. 熟悉 MOSFE

2、T 放大电路的组成和工作原理，掌握 其静态分析和动态分析。,5 场效应管放大电路,本章要求,3. 了解 JFET ( 结型场效应管 ) 的结构和工作原理，掌握其符号、特性曲线、特性方程、参数和应用，熟悉其放大电路的组成和工作原理，掌握静态分析和动态分析。,4. 了解砷化镓金属-半导体场效应管的特点。 5. 掌握各种 FET (场效应管)的特性及区别、各种放大 器件电路性能及区别，熟悉场效应管使用注意事项。,5 场效应管放大电路,重点难点,重点：各种场效应管的符号、特性曲线、特性方程、参数、使用和应用；场效应管放大电路的静态分析、动态分析和性能特点。,难点：场效应管的结构、工作原理、特性曲线和特

3、性方程，场效应管放大电路的工作原理、静态分析和动态分析。,5.1.3 P沟道MOSFET 1. P沟道增强型MOSFET 2. P沟道耗尽型MOSFET,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,本节内容,5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. 结构与符号 2. 工作原理 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构、符号和工作原理简述 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 3. N沟道增强型、耗尽型管比较,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,5.1.4 沟道长度调制效应 1. 理想饱和区特性 2. 实际饱和区特性,5.1.5

4、 MOSFET的主要参数 一、直流参数 二、交流参数 三、极限参数,3. 四种MOS管汇总,5.1.6 MOSFET的特点与命名 1. 几点结论 2. MOSFET特点 3. 与BJT比较,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,4. 场效应管命名,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,本节要求,1. 了解N沟道增强型MOSFET的结构和工作原理，掌握其符号、特性曲线、特性方程和参数。 2. 了解N沟道耗尽型MOSFET的结构和工作原理，掌 握其符号、特性曲线、特性方程和参数。,3. 了解P沟道增强型、耗尽型MOSFET的结构和工作 原理，掌握其符号、特性曲线、特性方程和参数

5、。 4. 了解沟道长度调制效应。 5. 掌握MOSFET的主要参数。 6. 掌握MOSFET的特点，熟悉场效应管命名方法。,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,重点难点,重点：N 沟道增强型、耗尽型，P 沟道增强型、耗尽型MOSFET的符号、特性曲线、特性方程和参数。,难点：N 沟道增强型、耗尽型，P 沟道增强型、耗尽 型MOSFET的结构和工作原理，特性曲线和特性方程。,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,场效应管(FET)是什么？,1. 场效应管(FET) 2. 场效应管(FET)的分类,场效应管(Field Effect Transistor，简称FET)：是一

6、种利用输入电压(栅-源电压)vGS产生的电场效应来改变 导电沟道的厚度，控制导电沟道的导电能力，从而达到用 输入电压vGS控制输出电流(漏极电流)iD的半导体器件。,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,1. 场效应管(FET),场效应：利用与半导体表面垂直的电场控制半导体的 电导率或半导体中的电流。,电压控制电流源器件,iD=f (vGS),5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,2. 场效应管(FET)的分类,1)按结构来划分,(1)绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister， IGFET) 绝缘栅型场效应管也称金属-

7、氧化物-半导体(MOS)场 效应管(Metal Oxide Semiconductor FET， MOSFET),(2)结型场效应管(Junction type Field Effect Tran- sister， JFET),2)按导电载流子来划分,(1)N(电子)型沟道场效应管 (2)P(空穴)型沟道场效应管,场效应管种类多，可按不同角的分类。,5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,3)按工作原理来划分,(1)增强(Enhancement)型(E型)场效应管 (2)耗尽(Depletion)型(D型)场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,N沟道增强型MOSFET是怎样的

8、？,1. 结构与符号 2. 工作原理 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构与符号 1) 结构,N沟道增强型 MOSFET 基本上 是左右对称的拓扑 结构，它是在低掺 杂的 P型硅片衬底,上生成一层二氧化 硅SiO2薄膜绝缘层， 然后用光刻工艺扩 散两个高掺杂的N+ 型区，在两个N+型,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,和二氧化硅绝缘层 安置三个铝电极： 栅极 g ( Gate )；漏 极 d (Drain)；源极 S (Source)；P型硅 片称为衬底，用 B,表示，通常与源极 接在一起使用，有 的在内部已连在一 起。由于栅极与源 极、

9、漏极和衬底之 间采用二氧化硅绝,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,故也称为金属氧 化物半导体场效 应管。 源极 S ：载流 子的发源处，相当 于发射极 e；漏极,缘层隔离，故称为 绝缘栅型场效应管。 又因为三个极是金 属铝，绝缘层是氧 化物二氧化硅，衬 底是半导体硅片，,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,L：沟道长度 W：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度 通常 W L,d：载流子的泄漏 处，相当于集电极 c；栅极 g ：控制 控制载流子的数量, 相当于基极 b。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,栅源电压vGS=0时漏极d和源极S间没导电沟道，漏极 电流iD= 0，只有当vGS VT

10、0(开启电压)时才有导电沟 道，称为增强(Enhancement)型(E型)。,导电沟道,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3) 实物图,N沟道增强型,P沟道增强型,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,4) 符号,(栅极),(源极),(漏极),导电沟道,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5) 参考方向规定,栅源电压vGS、漏源电压vDS从第一下标指向第二下 标。漏极电流iD、源极电流iS按实际方向标注。,2. 工作原理 1)栅源电压vGS对漏极电流iD的影响 (1)vGS=0,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,低掺杂的 P型衬底隔开 高掺杂的 N+型漏区和 N+型 源区，漏、源极

11、之间是两个 背靠背的PN结。,不管漏源电压 vDS 的 极性如何，总有一个 PN结 反向偏置，反向电阻很高， d、S 间没导电沟道，漏极 电流iD0，处于截止状态。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(2) 0vGSVT,产生向下的电场，排 斥栅极附近 P型衬底中的 多子空穴；同时吸引衬底 中的少子电子到达表层填,补空穴，留下不能移动的 负离子，形成不能导电的 耗尽层，d、s间仍没导电 沟道，漏极电流 iD 0， 处于截止状态。,耗尽层,(开启电压VT0),0vGSVT，工作 在截止区。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(3) vGS VT,vGS=VT时电场吸引 足够的衬底电子到栅

12、极下 衬底表面，形成 N (电子) 型薄层(反型层)，刚好连,vGS VT管子导通， vGS越大，导电沟道越厚，在 vDS 一定时 iD就越大。,通 d、S 极成为导电沟道， 在漏源电压 vDS 作用下 产生漏极电流 iD 而导通， VT称为开启电压。,电子沟道,耗尽层,(开启电压VT0),5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2)漏源电压vDS对漏极电流iD的影响 (1) vDSvGS-VT,vGD = vGS-vDS VT，导电沟道仍连通d、S。,vDSiD;,vGSvGD 沟道厚度、电阻 iD。vDS小，iD不多。,vDSvGDd 附近电场导电沟道沿 S-d方向厚度，呈楔形。,+vGD

13、-,电子沟道,工作在可变电阻区。,(开启电压VT0),5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(2) vDS=vGS-VT,vGD = vGS-vDS = VT(0)，d端导电沟道刚 好消失而夹断，称为预夹 断。,+vGD -,电子沟道,(开启电压VT0),5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(3) vDSvGS-VT,vGD =vGS-vDS VT。,+vGD -,vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vDS增大部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随vDS变化。,vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,电子沟道,工作在恒流区。,(开启电压VT0),5

14、.1.1 N沟道增强型MOSFET,3) 几个术语,感生沟道：由栅源电 压感应产生的导电沟道。,开启电压 ( 阈值电压 ) VT：漏源电压 vDS 一定， 使管子由截止变为刚导通 时的临界栅源电压vGS 。,电压控制电流：只有 vGS VT 后才开始导通，,电子沟道,耗尽层,反型层：在栅极下方 形成的与衬底的多子极性 相反的载流子薄层。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,在一定的漏源电压vDS下， 漏极电流iD受到栅源电压 vGS控制。,电子沟道,耗尽层,单极型：只有一种载 流子参与导电，N 沟道为 电子，P沟道为空穴。,增强型：vGS=0时漏 极d和源极S之间没有导电 沟道，漏极电流 i

15、D 为 0， vGS 增大到一定值 ( 开 启电压VT) 时才有导电沟 道。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 1) 输出特性及大信号特性方程,(1) 截止区(夹断区) vGSVT,也称漏极特性。,VT=2V,未形成导电沟道，d、S 断开，漏极电流iD=0，截止。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(2) 可变电阻区,vDSvGDd 附近电场导电沟道沿 S-d方向厚度，呈楔形。,vGD =vGS-vDS VT，导电沟道仍连通d、S。,vDSiD线性;,VT=2V,vGSVT，vDSvGS-VT,vGSvGD 沟道厚度、电阻 iD。vDS小，iD不

16、多。,工作在可变电阻区。,斜率,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,原点附近vDS较小，近似为,rdso是一个受vGS控制 的可变电阻。,特性方程：,VT=2V,斜率倒数,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,n ：反型层中电子迁移率， cm2/V.S Cox：栅极(与衬底间)氧化 层单位面积电容，F/cm2,：本征导电因 子，F/V.S,Kn为电导常数，单位：mA/V2,L ：沟道长度，m W：沟道宽度，m,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(3)饱和区(恒流区、放大区),vGSVT，vDSvGS-VT,vGD =vGS-vDS VT,vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vD

17、S增大部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随vDS变化。,vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,VT=2V,工作在恒流区。,IDO=KnV2T：vGS=2VT时 的iD。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,特性方程：,VT=2V,IDO,在饱和区 iD 基本不随 vDS 变化，把预夹断临界条件 vDS=vGS-VT代入,得：,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(4) 特性归纳,截止(夹断)区,可变电阻区,vDSiD 线性,vGSiD不多,饱和(恒流、放大)区,vDSiD基本不变,vGSiD，iD是 受vGS控制的

18、电流源。,iD=0,vGSVT, vDS vGS-VT,vGSVT， vDSvGS-VT,vGSVT(0),vGSrdso，是受 vGS控制的可变电阻。,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2) 转移特性 (1)由特性方程画出,在饱和区iD基本不随vDS 变化，即vDS取不同常数时的 转移特性是一样的( 重叠 )。,vDS=10V,vGS沟道厚度iD,vDS=10V,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(2)由输出特性画出,VT=2V,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,为何不研究输入特性？,iG0,绝缘层,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,例5

19、.1.1,注意单位,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET是怎样的？,1. 结构、符号和工作原理简述 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 3. N沟道增强型、耗尽型管比较,1. 结构、符号和工作原理简述 1) 结构,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,在制造时导电沟道已形 成。制造时在绝缘层中掺入 大量的碱金属正离子Na+或K+，在源区和漏区中间的P,耗尽的意思是栅源电压VGS=0时，在漏源之间就形成 了沟道。只有给栅源加负电压，才能使管子截止。,型衬底表面感应出很多电子, 或在衬底表面掺入与衬底相 反类型的杂质，形成 N 型沟 道，将源区和漏区连通起来。,5.1

20、.2 N沟道耗尽型MOSFET,2) 符号,比较,与增强型的区别：表示导电沟道的线为实线和虚线。,参考方向：vGS、vDS从第一下标指向第二下标。 iD、iS按实际方向标注。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,3) 工作原理 (1)栅源电压vGS对漏极电流iD的影响 vGS=0,制造时已形成 N型导电 沟道，所以栅源电压vGS=0 时加上一定的漏源电压vDS， 也会有漏极电流iD。,vGS =0时漏极电流称为 饱和漏极电流，用IDSS 表示， D、S表示iD流过d、S极；S 表示g、S极短路(Short)。,vGS可以是0,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET, 0vGS V(BR)GS,

21、产生向下的外电场，增 强了正离子的电场，排斥栅 极附近 P型衬底中的多子空 穴；同时吸引衬底中的少子 电子到达表层而使 N型导电,沟道更宽，其电阻更小，在 一定的漏源电压vDS下，漏 极电流iD增大。若栅源电压 vGS越大，导电沟道越宽， 漏极电流iD就越大。,(最大栅源电压V(BR)GS 0),vGS可以是+,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET, VPvGS0,产生向上的外电场，削 弱了正离子的电场，排斥栅 极附近 N型导电沟道中的电 子；同时吸引 P型衬底中的 多子空穴到达表层而使导电,沟道变窄，其电阻变大，在 一定的漏源电压vDS下，漏 极电流iD减小。若栅源电压 vGS越负，导电沟道

22、越窄， 漏极电流iD就越小。,(夹断电压VP0),vGS可以是-,vGS VP时导电沟道 被夹断， iD=0，管子截止。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET, vGSVP0,产生向上的电场，排斥 栅极附近 N型导电沟道的电子；同时吸引 P型衬底的空 穴到表层使导电沟道变窄，,在一定的漏源电压 vDS下， 漏极电流iD减小。vGS越负， 导电沟道越窄，iD就越小。,vGS=VP时导电沟道刚 好消失，VP称为夹断电压。,vGS可以是+、0、-,(夹断电压VP0),5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的影响 vDSvGS-VP,vGD = vGS-vDS VP，

23、导电沟道仍连通d、S。,+vGD -,vDSiD;,vDSvGD d 区附近电场d区附近导 电沟道厚度。,vGSvGD沟 道厚度、电阻iD。 vDS小，iD不多。,工作在可变电阻区。,(夹断电压VP0),5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET, vDS=vGS-VP,+vGD -,vGD=vGS-vDS= VP(0)，d端导电沟道 消失而夹断，称为预夹 断。,(夹断电压VP0),5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET, vDSvGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS VP (0),vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vDS增大部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随

24、vDS变化。,vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,工作在恒流区。,(夹断电压VP0),5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 1) 输出特性及大信号特性方程,(1) 截止区(夹断区) vGSVP(0),导电沟道消失，d、S 之间断开，漏极电流 iD= 0，为截止状态。,也称漏极特性。,VP=-6V,vGS可+、0、-,vGSvGD沟 道厚度、电阻iD。 vDS小，iD不多。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,(2) 可变电阻区,vGD =vGS-vDS VP，导电沟道仍连通d、S。,vDSiD线性;,VP=-6V,vGSVP，

25、vDSvGS-VP,vDSvGD d区附近电场d区附 近导电沟道厚度。,vGS可+、0、-,工作在可变电阻区。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,原点附近vDS较小，近似为,rdso是一个受vGS控制 的可变电阻。,特性方程：,斜率倒数,(增强型中VT改为VP),vGS可+、0、-,VP=-6V,斜率,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,Kn为电导常数，单位：mA/V2,vGS可+、0、-,VP=-6V,L ：沟道长度，m W：沟道宽度，m,n ：反型层中电子迁移率， cm2/V.S Cox：栅极(与衬底间)氧化 层单位面积电容，F/cm2,：本征导电因 子，F/V.S,5.1.2 N沟

26、道耗尽型MOSFET,(3) 饱和区(恒流区、放大区),vGSVP，vDSvGS-VP,vGD =vGS-vDS VP,vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vDS增大部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随vDS变化。,vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,VP=-6V,vGS可+、0、-,工作在恒流区。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,特性方程：,得：,IDSS=KnV2P：vGS=0时的 iD，称为饱和漏极电流。,VP=-6V,IDSS,在饱和区 iD 基本不随 vDS 变化，把预夹断临界条件 vDS=vGS-VP代入,vGS可+、0、-,

27、iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,(4) 特性归纳,截止(夹断)区,可变电阻区,vDSiD 线性,vGSiD不多,饱和(恒流、放大)区,vDSiD基本不变,vGSiDiD是 受vGS控制的电流源。,iD=0,vGSVP, vDS vGS-VP,vGSVP， vDSvGS-VP,vGSVP(0),vGS可+、0、-,vGSrdso，是受 vGS控制的可变电阻。,vGS沟道厚度iD,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,2) 转移特性 (1)由特性方程画出,在饱和区iD基本不随vDS 变化，即vDS取不同常数时的 转移特性是一样的( 重叠 )。,vGS可+

28、、0、-,iD 与 vDS无关。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,(2)由输出特性画出,VP=-6V,vGS可+、0、-,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,3. N沟道增强型、耗尽型管比较,VT,VT,VP,VP,5.1.3 P沟道MOSFET,P沟道MOSFET是怎样的？,1. P沟道增强型MOSFET 1) 结构 2) 符号 3) 工作原理 4) 特性曲线及特性方程 5) P沟道、N沟道增强型管比较,2. P沟道耗尽型MOSFET 1) 结构 2) 符号 3) 工作原理 4) 特性曲线及特性方程,5.1.3 P沟道MOSFET,5) P沟道、N沟道耗尽型管比较 6) P沟道增强型

29、、耗尽型管比较,3. 四种MOS管汇总,5.1.3 P沟道MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET类似， 主要是导电的载流子不同、供电电压极性不同、电流方向 不同，如同NPN型和PNP型双极型三极管一样。,5.1.3 P沟道MOSFET,1. P沟道增强型MOSFET 1) 结构,P沟道、N沟道增强型MOS管互为对偶。,P型沟道,N型沟道,0,0,0,0,比较,5.1.3 P沟道MOSFET,2) 符号,比较,参考方向：vGS、vDS从第一下标指向第二下标。iD、 iS按实际方向标注。,与N沟道增强型的区别：表示沟道类型的箭头方向。,5.1.3 P沟道MOSFET,3)

30、工作原理 (1)栅源电压vGS对漏极电流iD的影响,P沟道MOS场效应管的 工作原理与N沟道MOS场效 应管类似，只是所加电压的 极性不同，导电的载流子不 同，电流的方向也不同。, vGS=0,不管漏源电压 vDS 极 性如何，d、S 间总有一个 PN 结反偏，没导电沟道， 漏极电流iD0，截止。,5.1.3 P沟道MOSFET, VTvGS 0,(开启电压VT0),产生向上的电场，排 斥栅极附近 N型衬底中的 多子电子；同时吸引衬底 中的少子空穴到达表层与,电子复合，留下不能移动 的正离子，形成不能导电 的耗尽层，d、s间仍没导 电沟道，漏极电流iD0， 处于截止状态。,耗尽层,VTvGS0

31、，工作 在截止区。,5.1.3 P沟道MOSFET, vGS VT0,vGS=VT时电场吸引 足够的衬底空穴到栅极下 衬底表面，形成 P (空穴) 型薄层(反型层)，刚好连,通 d、S 极成为导电沟道， 在漏源电压 vDS 作用下 产生漏极电流 iD 而导通， VT称为开启电压。,空穴沟道,耗尽层,vGS越负，导电沟道 越厚，vDS 一定时 iD越 大。vGS VT管子导通。,(开启电压VT0),5.1.3 P沟道MOSFET,(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的影响 vDSvGS-VT,vGD = vGS-vDS VT，导电沟道仍连通d、S。,vDSiD;,vDSvGDd附 近电场导电沟道沿

32、S-d 方向厚度，呈楔形。,vDS、vGS、vGD均为负,+vGD -,电子沟道,工作在可变电阻区。,(开启电压VT0),5.1.3 P沟道MOSFET,vDS=vGS-VT,vGD =vGS-vDS = VT，d端导电沟道刚好消 失而夹断，称为预夹断。,+vGD -,空穴沟道,vDS、vGS、vGD均为负,(开启电压VT0),vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,5.1.3 P沟道MOSFET, vDSvGS-VT,+vGD -,vGD =vGS-vDS VT。,vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vDS减小部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随

33、vDS变化。,电子沟道,vDS、vGS、vGD均为负,(开启电压VT0),工作在恒流区。,和输出特性各 6 条，其电 压和电流方向也有所不同。 若按统一规定正方向，特性曲线要画在不同的象限。为了 便于绘制，P沟道管以-vDS作为横轴的正方向。,场效应管根据导电沟 道(N、P沟道)，以及是绝 缘栅型 ( 分增强型和耗尽 型 ) 还是结型有转移特性,5.1.3 P沟道MOSFET,4) 特性曲线及特性方程 (1) 输出特性及特性方程,5.1.3 P沟道MOSFET, 输出特性,(A)截止(夹断)区,(B)可变电阻区,vDSiD 线性,vGSiD不多,(C)饱和(恒流、放大)区,vDSiD基本不变,

34、vGSiDiD是 受vGS控制的电流源。,iD=0,vGSVT, vDS vGS-VT,vGSVT， vDSvGS-VT,vGSVT(0),vGSrdso，是受 vGS控制的可变电阻。,5.1.3 P沟道MOSFET, 特性方程,vDS较小，近似为,rdso是一个受vGS控制 的可变电阻。,斜率倒数,(A) 可变电阻区,VT=-2V,斜率,5.1.3 P沟道MOSFET,p ：反型层中空穴迁移率， cm2/V.S，比n小 Cox：栅极(与衬底间)氧化 层单位面积电容，F/cm2,：本征导电因 子，F/V.S,Kp为电导常数，单位：mA/V2,L ：沟道长度，m W：沟道宽度，m,5.1.3 P

35、沟道MOSFET,VT=-2V,IDO,iD 基本不随vDS变化，把预夹断临界条件vDS=vGS -VT代入,得：,IDO=KnV2T：vGS=2VT时 的iD。,(B) 饱和区,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.3 P沟道MOSFET,(2) 转移特性,在饱和区iD基本不随vDS 变化，即vDS取不同常数时的 转移特性是一样的( 重叠 )。,vGS沟道厚度iD,VT,vDS=常数,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.3 P沟道MOSFET,5) P沟道、N沟道增强型管比较,VT,VT,VT,VT,2. P沟道耗尽型MOSFET 1) 结构,5.1.3 P沟道MOSFET

36、,在制造时导电沟道已形 成。制造时在绝缘层中掺入 大量的金属负离子，在源区 和漏区中间的 N 型衬底表面,耗尽的意思是栅源电压VGS=0时，在漏源之间就形成 了沟道。只有给栅源加正电压，才能使管子截止。,感应出很多空穴，或在衬底 表面掺入与衬底相反类型的 杂质，形成 P 型沟道，将源 区和漏区连通起来。,5.1.3 P沟道MOSFET,2) 符号,比较,与增强型的区别：表示导电沟道的线为实线和虚线。,参考方向：vGS、vDS从第一下标指向第二下标。iD、 iS按实际方向标注。,3) 工作原理 (1)栅源电压vGS对漏极电流iD的影响 vGS=0,5.1.3 P沟道MOSFET,制造时已形成 P

37、 型导电 沟道，所以栅源电压vGS=0 时加上一定的漏源电压vDS， 也会有漏极电流iD。,vGS =0时漏极电流称为 饱和漏极电流，用IDSS 表示， D、S表示iD流过d、S极；S 表示g、S极短路(Short)。,vGS可以是0,5.1.3 P沟道MOSFET, V(BR)GSvGS0,产生向上的外电场，增 强了负离子的电场，排斥栅 极附近 N型衬底中的多子电 子；同时吸引衬底中的少子 空穴到达表层而使 P型导电,沟道更宽，其电阻更小，在 一定的漏源电压vDS下，漏 极电流iD增大。若栅源电压 vGS越负，导电沟道越宽， 漏极电流iD就越大。,(最大栅源电压V(BR)GS0),vGS可以

38、是-,5.1.3 P沟道MOSFET, 0vGS VP,产生向下的外电场，削 弱了负离子的电场，排斥栅 极附近 P 型导电沟道中的空 穴；同时吸引 N型衬底中的 多子电子到达表层而使导电,沟道变窄，其电阻变大，在 一定的漏源电压vDS下，漏 极电流iD减小。若栅源电压 vGS越正，导电沟道越窄， 漏极电流iD就越小。,vGS可以是+,(夹断电压VP0),5.1.3 P沟道MOSFET, vGSVP,产生向下的电场，排斥 栅极附近 P型导电沟道的空穴；同时吸引 P型衬底的电 子到表层使导电沟道变窄，,在一定的漏源电压 vDS下， 漏极电流iD减小。vGS越正， 导电沟道越窄，iD就越小。,(夹断

39、电压VP0),vGS=VP时导电沟道刚 好消失，VP称为夹断电压。,vGS可以是+、0、-,vGS VP时导电沟道 被夹断， iD=0，管子截止。,5.1.3 P沟道MOSFET,(2)漏源电压vDS对漏极电流iD的影响 vDSvGS-VP,vGD = vGS-vDS VP，导电沟道仍连通d、S。,+vGD -,vDSiD;,vDSvGD d 区附近电场d区附近导 电沟道厚度。,(夹断电压VP0),工作在可变电阻区。,5.1.3 P沟道MOSFET, vDS=vGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS = VP，d端导电沟道消失而 夹断，称为预夹断。,(夹断电压VP0),5.1.3

40、P沟道MOSFET, vDSvGS-VP,+vGD -,vGD =vGS-vDS VP,vDSvGD 夹断区沿 S 极扩展夹断 区电阻vD减小部分 用于克服夹断区对 iD的阻 力，iD基本不随vDS变化。,vGSvGD 夹断区厚度 iD iD是受vGS控制的电流源。,(夹断电压VP0),工作在恒流区。,5.1.3 P沟道MOSFET,4) 特性曲线及特性方程 (1) 输出特性,截止(夹断)区,可变电阻区,vDSiD 线性,vGSiD不多,饱和(恒流、放大)区,vDSiD基本不变,vGSiDiD是受vGS控制的电流源。,iD=0,vGSVP, vDS vGS-VP,vGSVP， vDSvGS-V

41、P,vGSVP(0),vGS可+、0、-,vGSrdso，是受 vGS控制的可变电阻。,5.1.3 P沟道MOSFET,(2) 特性方程,可变电阻区,vDS较小，近似为,rdso是一个受vGS控制 的可变电阻。,斜率倒数,VP=4V,斜率,5.1.3 P沟道MOSFET,p ：反型层中空穴迁移率， cm2/V.S，比n小 Cox：栅极(与衬底间)氧化 层单位面积电容，F/cm2,：本征导电因 子，F/V.S,Kp为电导常数，单位：mA/V2,L ：沟道长度，m W：沟道宽度，m,5.1.3 P沟道MOSFET,VP=4V,IDSS,iD 基本不随vDS变化，把预夹断临界条件 vDS =vGS

42、-VP代入,得：,IDSS=KPV2P：vGS=0时的 iD，称为饱和漏极电流。,饱和区,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.3 P沟道MOSFET,(3) 转移特性,在饱和区iD基本不随vDS 变化，即vDS取不同常数时的 转移特性是一样的( 重叠 )。,vGS沟道厚度iD,VP,vDS=常数,vGS可+、0、-,iD 与 vDS无关，受vGS控制。,5.1.3 P沟道MOSFET,5) P沟道、N沟道耗尽型管比较,VP,VP,VP,VP,5.1.3 P沟道MOSFET,6) P沟道增强型、耗尽型管比较,VT,VT,VP,VP,5.1.3 P沟道MOSFET, 3. 四种MOS管汇

43、总,(P237 表5.5.1),5.1.3 P沟道MOSFET,栅源电压vGS的 极性可正、可负，漏源电 压vDS为负极性，是P沟 道耗尽型MOSFET。,一只场效应管的输出特性如图所示。确定该管类 型，并求VP(或VT)、IDSS(或IDO)、V(BR)DS 。,5.1.3 P沟道MOSFET,例1,解:,VP=+3 V,V(BR)DS=-15V,IDSS=-4mA,VP,V(BR)DS,IDSS,5.1.4 沟道长度调制效应,理想和实际饱和区有何区别？, 1. 理想饱和区特性 2. 实际饱和区特性,5.1.4 沟道长度调制效应, 1. 理想饱和区特性,理想情况下，饱和区 特性曲线平坦，iD

44、与vDS 无关。,5.1.4 沟道长度调制效应,2. 实际饱和区特性,实际上饱和区的曲线并不平坦，而是略向上倾斜，iD 随vDS增大略增大，这是由于vDS对沟道长度的调制作用 所致。,5.1.4 沟道长度调制效应,用沟道长度调制参数对特性方程修正。,L：沟道长度，单位为m,当不考虑沟道调制效应时(理想情况)，=0，曲线是 平坦的。,5.1.5 MOSFET的主要参数,MOS管有哪些参数？,参数用来表征管子的性能。,一、直流参数 1. 开启电压VT(增强型管参数) 2. 夹断电压VP(耗尽型管参数) 3. 饱和漏电流IDSS(耗尽型管参数) 4. 直流输入电阻RGS,二、交流参数 1. 输出电阻

45、rds 2. 低频互导gm,三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM,5.1.5 MOSFET的主要参数,2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源电压V(BR)DS 4. 最大栅源电压V(BR)GS,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数 1. 开启电压VT,VT=2V,vDS=10V,规定：vDS为某值，使iD等于一微小电流时的vGS。,NMOS管正，PMOS管负,(增强型管参数),5.1.5 MOSFET的主要参数,2. 夹断电压VP,VP=-6V,规定：vDS为某值，使iD等于一微小电流时的vGS。,NMOS管负，PMOS管正,(耗尽型管参数),5.1.5 MOSFET的主要参数

46、,3. 饱和漏电流IDSS,IDSS,(耗尽型管参数),5.1.5 MOSFET的主要参数,4. 直流输入电阻RGS,vDS=0，加一定的vGS时的栅源直流电阻。,栅极与源极、漏极、衬 底绝缘，栅极电流iG 很小， MOS管栅源直流电阻很大， 可达1091015。,这是MOS管一大优点。,RGS=vGS / iG,vGS =5V,5.1.5 MOSFET的主要参数,二、交流参数 1. 输出电阻rds,理想情况rds=,实际情况rds=几十几百k,vDS等于常数，漏极电流微变量和引起这个变化的栅 源电压微变量之比。,5.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,反映栅源电压对漏极电流的

47、 控制能力，表征放大能力的参数。,iD= gm vGS,一般 gm=0.几几mS,是转移特性工作点的斜率。,Q,gm=(4.5-1)mA/4V =0.875mS,其中,5.1.5 MOSFET的主要参数,三、极限参数 1.最大漏极电流IDM,管子正常工作时允许 的漏极电流最大值。,2.最大耗散功率PDM,PDM= vDS iD,最高允许工作温度时 的耗散功率。,3.最大漏源电压V(BR)DS,是指发生雪崩击穿， iD开始急剧上升时的漏源 电压vDS。,安 全 区,过损耗区,击 穿 区,过流区,5.1.5 MOSFET的主要参数,4.最大栅源电压V(BR)GS,栅源间反向电流开始急剧增加时的vG

48、S值。,此外还有极间电容、最高工作频率等参数。,参数表征了管子的性能，是选用管子的依据，使用时 不能超过极限参数。,部分场效应管的参数见P210 表5.1.1。,5.1.5 MOSFET的主要参数,例2,已知输出特性，求互导。,gm=iD/vGS=(3-2)mA/(1-0)V=1mA/V=1mS,5.1.6 MOSFET的特点与命名,MOSFET有何特点？怎样命名？,1. 几点结论 2. MOSFET特点 3. 与BJT比较 4. 场效应管命名,5.1.6 MOSFET的特点与命名,1. 几点结论,1)电压控制电流型器件 漏极电流iD受栅源电压vGS的控制，即iD随vGS的变 化而变化，改变栅

49、源电压就可改变漏极电流。,2)单极型器件 工作时只有一种载流子参与导电，N沟道为电子、P 沟道为空穴。,3)特性和性能表达 伏安关系特性可用特性方程或输出特性曲线和转移特 性曲线来描述，性能可用一系列参数来表征(见5.1.5)。,4) 漏源电压vDS 的极性 取决于沟道类型：N沟道vDS0， P沟道vDS0。,iD= gm vGS,5.1.6 MOSFET的特点与命名,5) 栅源电压vGS 的极性 取决于工作方式和沟道类型：增强型N沟道vGS0, P沟道vGS0；耗尽型N沟道vGS= +、0、-； P沟道 vGS= - 、0、+。,6) 漏极电流iD 和源极电压iS 的方向 取决于沟道类型：

50、N沟道iD流入， iS流出； P沟道iD 流出， iS流入。,7) 开启电压VT和夹断电压VP的极性 取决于工作方式和沟道类型：增强型N沟道VT0， P沟道VT0。耗尽型N沟道VP0，P沟道VP0。,8) 截止和导通条件 取决于沟道类型：N沟道增强型vGSVT截止, vGS,5.1.6 MOSFET的特点与命名,VT导通(可变电阻区或饱和区，下同)；耗尽型vGS VP截止， vGSVP导通。P沟道增强型vGSVT截止， vGSVT导通；耗尽型vGSVP截止，vGSVP导通。,9)可变电阻区和饱和区的条件 取决于沟道类型。预夹断处是可变电阻区和饱和区的 分界点，增强型vDS=vGS-VT，耗尽型vDS=vGS-VP。,N沟道增强型vGSVT、vDSvGS-VT在可变电阻 区， vGSVT、 vDSvGS-VT在饱和区。 N沟道耗尽型vGSVP、 vDSvGS-VP在可变电阻 区， vGSVP、 vDSvGS-VP在饱和区。,P沟道增强型vGSVT、vDSvGS-VT在可变电阻 区， vGSVT、 vDSvGS-VT在饱和区。,5.1.6 MOSFET的特点与命名,P沟道耗尽型vGSVP、vDSvGS-VP在可变电阻 区， vGSVP、 vDSvGS-VP在饱和