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1、第三章第一节场效应管第1页，本讲稿共56页第三章第三章 场效应管场效应管第三章第三章 前言前言第一节第一节 MOS场效应管场效应管第二节第二节 结型场效应管结型场效应管第三节第三节 场效应管应用场效应管应用第2页，本讲稿共56页第三章第三章 场效应管场效应管前言前言 场效应管(FET)是另一种具有正向受控作用的半导体器件，分MOS场效应管(MOSFET)与结型场效应管(JFET)两种类型。MOSFET与JFET工作原理类似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之外仅在于导电沟道形成的原理不同。由于场效应管只有多子参与导电，故常称为单极型器件，相应地，将晶体三极管称为双极型器件。学习本章时，要时刻
2、将声效应管与晶体三极管相对照，这样不仅可以加深对FET工作原理、模型及分析方法的理解，而且还可以找出它们的异同点，便于掌握。第3页，本讲稿共56页教学要求：教学要求：1.了解MOS场效应管与结型场效应管的工作原理，重点了解场效应管中预夹断的基本概念。2.熟悉场效应管的数学模型、直流简化电路模型、曲线模型及小信号电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合。3.熟悉放大模式下各种场效应管的外部工作条件。4.掌握场效应管放大电路分析方法：估算法及小信号等效电路法。能熟练利用估算法分析电路的直流工作点。5.熟悉场效应管与三极管之间的异同点。6.本章3.3节根据教学需要，可作为扩展内容。第4页，本讲稿共56
3、页场效应管：是另一种具有正向受控作用的半导体器件。类型绝缘栅型：MOS场效应管金属氧化物半导体P沟道N沟道耗尽型增强型结型N沟道P沟道N沟道P沟道3.1 MOS场效应管场效应管第5页，本讲稿共56页一、增强型一、增强型MOS(EMOS)场效应管场效应管电路符号 GDU S源极漏极栅极衬底第6页，本讲稿共56页N沟道EMOS场效应管结构示意图 N DPNP GS耗尽层1、工作原理、工作原理（1）、导电沟道形成原理：当 VDS=VGS=0 时 结构示意图 第7页，本讲稿共56页当 VDS=0 ，在栅极G与源极S之间外加电压VGS 时：N DPNP GSVGS 随着VGS 的增大电场增强第8页，本讲
4、稿共56页N DPNP GSVGS随着VGS 继续增大，电场继续增强N DPNP GSVGS第9页，本讲稿共56页 P型半导体，转型为N型半导体，称为反型层。此时如外加VDS电压，将有电流自漏区流向源区。根据结构图看出，反型层的宽窄,可由VGS 的大小来调整。我们将反型层，称为导电沟道，由于反型层是N型半导体，则称为N沟道。N DPNP GSVGS所对应的VGS电压，称为开启电压，用VGS(th)表示。形成导电沟道时：第10页，本讲稿共56页（2）、VDS对沟道导电能力的控制：当 VGS 为一定值，VDS 0 时，在VDS的作用下，形成漏极电流 ID。N DPNP GSVGS VDS漏极与源极
5、之间，存在着电位差 第11页，本讲稿共56页BAN DPNP GSVGS VDS 显然，VD VA VG VB VGD的大小将沿着沟道而变化，越靠近漏区VGD越小，沟道越窄；越靠近源区VGD越大，沟道越宽。第12页，本讲稿共56页当 VDS 继续增大，则 VGD 相应的减小。直到 VGD=VGS(th)或表示为：或 时，靠近漏端的反型层消失。即 靠近漏区的沟道被夹断，夹断点 A称为预夹断点。AN DPNP GSVGS VDS第13页，本讲稿共56页 VDS 继续增大，预夹断点前移，导电沟道变短。AN DPNP GSVGS VDS综合上面的分析，可以画出VGS VGS(th)，并且为一定值时，漏
6、极电流ID，随VDS变化的特性。第14页，本讲稿共56页(a)、设 VDS=0 V 开始 IDVDS0VDS=VGS-VGS(th)当 VDS 很小，沟道电阻几乎与VDS 无关，ID随VDS线性增大。(b)、VDS 继续增大，靠近漏区的沟道变窄，沟道电阻增大。ID随VDS增大趋于缓慢。（c）、当 时靠近漏区的沟道被夹断，即在A点处。AVDS 继续增大时，第15页，本讲稿共56页 IDVDS0VDS=VGS(th)A 形成漏极指向夹断点的电场，ID几乎不随VDS而变化的恒值。（d）、沟道长度调制效应：预夹断后，继续增大VDS，预夹断点会向源区方向移动，导致沟道长度减小，相应的沟道电阻减小，结果，
7、是ID略有增大。这种效应称为沟道长度调制效应。第16页，本讲稿共56页小结小结:（1）、ENOS场效应管，主要依靠一种载流子多子，参与导电自由电子。因此，称MOS管为单极型管；而晶体三极管是由多子和少子两种在流子参与导电，可称为双极型管。（2）、通过分析工作原理，可知两个高掺杂的N区与衬底之间的PN结，必须外加反向偏置电压。（3）、电路符号中的衬底箭头方向，是PN结外加正向偏置时的正向电流方向。第17页，本讲稿共56页2、伏安特性：、伏安特性：输入特性 IG=0输出特性 VGS为常数。EMOS管的输出特性曲线 ID/mA3.5VVDS/V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS
8、(th)5V10V3V20V15V第18页，本讲稿共56页输出特性曲线画分为四个工作区：（1）、非饱和区 即 ID 的大小同时受 VGS 与 VDS 的控制。它们的依存关系为：式中：n 为自由电子迁移率；Cox 为单位面积的栅极电容量；l 为沟道长度；W 为沟道的宽度。第19页，本讲稿共56页当 VDS 的值很小时，VDS的二次项可忽略。第20页，本讲稿共56页 ID/mA3.5VVDS/V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS(th)5V10V3V20V15V VDS 很小时，ID 与 VDS 之间呈线性关系。输出特性曲线近似为一组直线：第21页，本讲稿共56页5.5VVD
9、S/mVID/mA3.5V5V4.5V4V 0 此时，MOS管可看成，阻值受VGS控制的线性电阻器，其阻值用 Ron 表示。表明 越小，Ron 越大。第22页，本讲稿共56页（2）、饱和区：即 若忽略沟道长度调制效应，则可令：代入 得漏极电流表达式：第23页，本讲稿共56页在饱和区内，ID 受 VGS 的控制，而几乎不受 VDS 控制。DID(VGS)SGVGSID 第24页，本讲稿共56页ID 受 VGS 的控制关系可用转移特性曲线来描述 ID/mA3.5V4.5V4VVGS=5.5V5V0VDS=VGS-VGS(th)5V 10V3V20V15VVDS/VVGS/V3 3.5 4 4.5
10、55.5 ID/mA0第25页，本讲稿共56页若计入沟道长度调制效应，则可利用厄尔利电压VA 加以修正 令 称为沟道长度调制系数 则 与沟道长度l 有关，l 越小，相应就越大。通常第26页，本讲稿共56页小结：小结：（a）、不论工作在非饱和区或饱和区，只要 VGS 和 VDS 为定值时，ID 均与沟道的宽长比（W/l）成正比。（b）、当温度升高时，迁移率n 减小，而引起 ID 下降；同时，衬底中少子自由电子浓度增大，而引起VGS(th)减小，从而使ID 增大，当ID 不太小时，前者影响一般大于后者，结果，ID 具有随温度升高，而下降的负温度特性。（3）、截止区和亚阈区：截止区 即 VGS VG
11、S(th)时，ID=0。实际上，VGS VGS(th)时，ID 不会发生突变到零值，只是其值很小，在 A数量级，一般可忽略不计。第27页，本讲稿共56页 亚阈区：ID 很小，管子进入 VGS(th)附近区域内，确定 范围内。可以称为弱反型层区。在这个工作区内，ID 与 VGS 之间服从指数规律变化。100mVVGSVGS(th)100mV0ID第28页，本讲稿共56页（4）、击穿区：(a)、VDS 增大到足以使漏区与衬底之间的PN结引发雪崩击穿时ID 迅速增大，管子进入击穿区。(b)、还会发生类似晶体管中的穿通击穿。(c)、栅源电压VGS 过大，而引发绝缘层的击穿。第29页，本讲稿共56页3、
12、衬底效应：、衬底效应：AN DPNP GSVGS VDSU VUS 对EMOS管来说，为了让管子能正常工作，必须保证衬底与源区、漏区之间的PN结反向偏置，衬底必须接在电路的最低电位上。当源极与衬底不能相连接时，就会存在一个负值电压 VUS。第30页，本讲稿共56页当负值衬底电压VUS 衬底中的空间电荷区向底部扩展空间电荷区的负离子数增多由于VGS不变导电沟道中自由电子减少沟道电阻增大AN DPNP GSVGS VDSU VUSID 减小第31页，本讲稿共56页VGS(V)ID(mA)VUS=0-4V-2V5.5V0VGS(V)ID(mA)VUS=0VUS=-4VVUS=-2V0第32页，本讲稿
13、共56页4、P 沟道沟道EMOS场效应管场效应管 电路符号GD US源极漏极栅极衬底P DNPN GSVGSVDS第33页，本讲稿共56页（1）、非饱和区：（2）、饱和区：（3）、截止区：（4）、衬底电压 即为正值。第34页，本讲稿共56页二、耗尽型二、耗尽型MOS场效应管（场效应管（DMOS）结构示意图结构示意图 N DPNP G SUN D 漏极U 衬底G栅极S源极电路符号N沟道DMOS场效应管第35页，本讲稿共56页P DNPN GSPU D 漏极U 衬底G栅极S源极电路符号P沟道DMOS场效应管第36页，本讲稿共56页 2、伏安特性：、伏安特性：以 N 沟道DMOS管为例 ID/mA-
14、1.5V-0.5V-1VVGS=0.5V0V0VDS=VGS-VGS(th)510-1.8V2015VDS/VVGS=1V ID/mA-2-1VGS/V0 0.5 1第37页，本讲稿共56页第38页，本讲稿共56页四、小信号电路模型四、小信号电路模型1、MOS管（EMOS、DMOS）的衬底与源极相连，并且工作在饱和区条件下。设在直流量上叠加很小的交流量，则有 设 取 vGS、vDS 为自变量，iG、iD 分别为vGS、vDS 的非线性函数 输入回路 输出回路 用幂级数在Q点上对交流量展开，得第39页，本讲稿共56页高次项 设交流量很小，高次项可忽略。并且令 则有 式中 gm 为跨导 gds 为
15、输出电导 令 rds 为输出电阻 第40页，本讲稿共56页 根据此方程，可以画出小信号等效电路模型 1/gds gmvgsvgsSDGvds rds gmvgsvgsSDG vds第41页，本讲稿共56页计算 gm 、gds 因为 第42页，本讲稿共56页所以 代入上式 第43页，本讲稿共56页通常 第44页，本讲稿共56页所以上式可简化为：2、若考虑 MOS管（EMOS、DMOS）的衬底与源极不相连时，还存在着vUS 的影响，即 则回路方程 第45页，本讲稿共56页令 称为衬底跨导，表示 vus 对id 的控制能力 工程上，其值可近似的表示为 式中，为常数，一般为0.10.2。第46页，本讲
16、稿共56页根据电路方程画等效电路：rdsgmvgsvgsSDG vds gmuvus第47页，本讲稿共56页 在考虑高频应用时，还必须计入MOS管极间电容的影响。等效电路为：rdsgmvgsvgsSDGvdsgmuvusCduCds CusCguCgsCgdUCgs 为栅源之间的电容；Cgd 为栅漏之间的电容；Cdu 和 Csu 分别为漏区与称底和源区与衬底之间PN结的势垒电容；Cgu 为栅极与衬底之间的电容。第48页，本讲稿共56页若衬底与源极相连时，等效电路可简化为：rdsgmvgsvgsSDGvdsCdsCgsCgd第49页，本讲稿共56页五、分析方法五、分析方法 例一、一N沟道EMOS
17、FET组成的电路如图所示，要求场效应管工作于饱和区，ID=1mA，VDSQ=6V，已知管子参数为nCOXW/2l=0.25mA/V2，VGS(th)=2V，设=0，试设计该电路。RDRSRG2RG1TVDD+20V解：因为所以不合题意舍去第50页，本讲稿共56页因为因为所以所以第51页，本讲稿共56页所以假如设VS=4V 则所以第52页，本讲稿共56页取 RG1=1.2M则 RG2=0.8M所以第53页，本讲稿共56页 例二、设计如图所示电路，要求P沟道EMOS管工作在饱和区，并且ID=0.5mA，VD=3V，已知nCoxW/2l=0.5mA/V2VGS(th)=-1V，=0。解：不合题意舍去要使管子工作在饱和区，则：RDRSRG2RG1TVSS+5V2MVGVDVS第54页，本讲稿共56页则RDRSRG2RG1TVSS+5V2MVGVDVS第55页，本讲稿共56页第56页，本讲稿共56页