场效应管工作原理与应用.pptx

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1、1概概 述述场场效效应应管管是是另另一一种种具具有有正正向向受受控控作作用用的的半半导导体体器器件件。它它体体积积小小、工工艺艺简简单单，器器件件特特性性便便于于控控制制，是是目目前前制制造造大规模集成电路的主要有源器件。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1页/共50页23.1MOS场效应管场效应管P沟道沟道(PMOS)N沟道沟道(NMOS)P沟道沟道(PMOS)N沟道沟道(NMOS)MOSFET增强型增强型(EMOS)耗尽型耗尽型(DMOS)N沟道

2、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2页/共50页3N+N+P+P+PUSGD3.1.1增强型增强型MOS场效应管场效应管qN沟道沟道EMOSFET结构示意图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电路符号电路符号l沟道长度W沟道宽度第3页/共50页4 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 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)PP+N+N+SGDUVDS-+-+-+-+VGSq N沟道沟道EMOS管管工作原理

3、工作原理栅 衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。第4页/共50页5N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理假设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npVGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。反型层第5页/共50页6 VDS对沟道的控制对沟道的控制(假设VGSVGS(th)且保持不变)VDS很小时VGD VGS。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 Ron增大。

4、此时 Ron ID 变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+第6页/共50页7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7页/共50页8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。

5、由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：IDVDSOVGSVGS(th)VGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。第8页/共50页9MOS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：工作原理：第9页/共50页10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：共源组态特性曲线：ID=f(VGS)VDS=常数转移特性：转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数输出特性：输出特性：q 伏安特

6、性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+-转转移移特特性性与与输输出出特特性性反反映映场场效效应应管管同同一一物物理理过过程程，它们之间可以相互转换。它们之间可以相互转换。第10页/共50页11 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线q 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；ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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：VGSVGS(th)VDSVGS(th)VDSVGSVGS(th)考虑到沟道长度调制效

7、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13页/共50页14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第14页/共50页15q 截止区截止区特点：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：VGSVGS(th)ID=0以下的工作区域。IG 0，ID 0q 击穿区击穿区 VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿ID剧

8、增。VDS沟道l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。第15页/共50页16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：TD2D1D1D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。第16页/共50页17 NEMOS管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5V转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控制的控制作用，可由输出特性转换得到。作用，

9、可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345转转移移特特性性曲曲线线中中，ID=0时时对对应应的的VGS值值，即即开开启启电压电压VGS(th)。第17页/共50页18q 衬底效应衬底效应集集成成电电路路中中，许许多多MOS管管做做在在同同一一衬衬底底上上，为为保保证证U与与S、D之之间间PN结结反反偏偏，衬衬底底应应接接电电路路最最低低电电位位(N沟沟道道)或或最最高高电位电位(P沟道沟道)。若|VUS|-+VUS耗尽层中负离子数 因VGS不变(G极正电荷量不变)ID VUS=0ID/m

10、AVGS/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18页/共50页19q P沟道沟道EMOS管管+-+-VGSVDS+-+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道沟道EMOS管与管与P沟道沟道EMOS管工作原理相似。管工作原理相似。即VDS0、VGS0，VGS正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。第21页/共50页223.1.3四种四种MOS场效应管比较场效应管比较q 电路符号及电流流向电路符号

11、及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移特性转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)第22页/共50页23q 饱和区饱和区(放大区放大区)外加电压极性及数学模型外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型N沟道：VDS0，P沟道：VDS|VGS(th)|，|VDS|VGSVGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区饱和区(放大区放大区)工作条件工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区非饱和区(可变电阻区可变电阻区)数学模型数学模型第24页

12、/共50页25qFET直流简化电路模型直流简化电路模型(与三极管相对照与三极管相对照)场效应管G、S之间开路，IG 0。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。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-第25页/共50页263.1.4小信号电路模型小信号电路模型qMOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型(与三极管对照与三极管对照)gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-rds为场效应管输出电阻：由于场效应管IG 0，所以输入电阻rgs。而

13、三极管发射结正偏，故输入电阻rb e较小。与三极管输出电阻表达式rce 1/(ICQ)相似。rb ercebceibic+-+vbevcegmvb e第26页/共50页27MOS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。第27页/共50页28q计及衬底效应的计及衬底效应的MOS管简化电路模型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。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅跨导，工程上 为常数，一般 =0.10.2。第28页/共50页29qMOS管高频小信

14、号电路模型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。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29页/共50页30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。q 估算法估算法第30页/共50页31

15、 MOS管截止模式判断方法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)N沟道管：VGSVGS(th)截止条件 非饱和与饱和非饱和与饱和(放大放大)模式判断方法模式判断方法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。第32页/共50页33q 小信号等效电路法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；将FET用小信号电路模型代替；计算微变参数g

16、m、rds；注：具体分析将在第4章中详细介绍。第33页/共50页343.2结型场效应管结型场效应管qJFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD第34页/共50页35q N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS0(保证栅漏PN结反偏)VGSVGS(off)VDSVGS(off)VDSVGSVGS(off)在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。第41页/共50页42q 截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS0，ID流入管子漏极。P沟道

17、FET：VDS vGSvGS(th)因此当vGSvGS(th)时N沟道EMOS管工作在饱和区。伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：(小)交流电阻：(大)Tvi+-+-vRi第47页/共50页48q N沟道沟道 DMOS管管 GS相连相连构成有源电阻构成有源电阻v=vDS，vGS=0，i=iD由图因此，当vDS 0vGS(th)时，管子工作在饱和区。伏安特性即vGS=0时的输出特性。由得知当vGS=0时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi第48页/共50页49q 有源电阻有源电阻 构成分压器构成分压器若两管 n、COX、VGS(th)相同，则联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图I1=I2V1+V2=VDDV1+V2=VDD调整沟道宽长比(W/l)，可得所需的分压值。第49页/共50页50谢谢您的观看！第50页/共50页