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1、电子线性电路第电子线性电路第3章场效章场效应管应管2023/5/20电子线性电路第3章场效应管概概 述述 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它件。它比比BJTBJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制，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。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：后述。场效应管与三极管主要区别：后述。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管三极管R Ri i不高，在许多场合不能满足要求。不高，在许多场合不能满足要求。场效应
2、管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FETFET靠半导体中的靠半导体中的多数载流子导电多数载流子导电多数载流子导电多数载流子导电，又称单极型晶体管。，又称单极型晶体管。三极管是三极管是两种两种载流子载流子载流子载流子导电。导电。导电。导电。电子线性电路第3章场效应管 FETFET优点：优点：输入电阻大（输入电阻大（Ri 10107 710101212）、）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。主要用于
3、高输入阻抗放大器的输入级。场效应管：压控场效应管：压控电流源器件（电流源器件（ID=gmVGS）。）。三极管：流控三极管：流控电流源器件（电流源器件（IC=IB）。FETFET利用输入回路的利用输入回路的电电电电压压（电场效应）电场效应）电场效应）电场效应）来控制输出回路来控制输出回路电流的器件，故此命名。电流的器件，故此命名。概概 述述电子线性电路第3章场效应管3.1 3.1 MOS场效应管场效应管P沟道（沟道（P-EMOS）N沟道（沟道（N-EMOS）P沟道（沟道（P-DMOS）N沟道（沟道（N-DMOS）MOSFETFET增强型（增强型（E）耗尽型（耗尽型（D）N-MOS管与管与P-MO
4、S管工作原理相似，不同之管工作原理相似，不同之处仅在于处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，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导致加在各极上的电压极性相反。JFET结型结型N沟道沟道P沟道沟道N-JFETP-JFET分类：分类：分类：分类：金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）绝缘栅型）电子线性电路第3章场效应管N+N+P+P+PBSGD3.1.1 3.1.1 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管q N-EMOS FET结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P P型硅型硅
5、衬底衬底SGBD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度电子线性电路第3章场效应管MOSMOS管外部工作条件管外部工作条件:两个两个PNPN结反偏。结反偏。N-EMOSN-EMOS管为：管为：VDS 0 (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)。B接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连(保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏)。VGS 0(形成导电沟道形成导电沟道)。1 1、由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半半导体场效应管导体场效应管(M-O-S)(M-O-S)。2、栅极有、栅极有SiO2绝缘层绝缘层，或简称，或简称 I-G-F
6、ET场效应管。场效应管。电子线性电路第3章场效应管 3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型（沟道增强型（EMOSEMOS）管）管说明说明说明说明 MOS管衬底一般与源极相连使用；管衬底一般与源极相连使用；栅极和衬底间形成电容。栅极和衬底间形成电容。一一.工作原理工作原理 1、沟道形成原理。沟道形成原理。(1)(1)设设VDS=0，当当VGS=0时，时，iD=0。图图(a)(a)3.1 3.1 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSMOS管）管）栅栅 衬之间衬之间相当于以相当于以SiO2为介质的平板电容器。为介质的平板电容器。电子线性电路第3章场效应管 (2)当当VGS0时，时，VGS对对沟
7、道沟道导电能力的控制作导电能力的控制作用。图用。图(b)(b)若若VGS0（正栅源电压）（正栅源电压）耗尽层，耗尽层，如图如图(b)所示。所示。(3)(3)开启电压开启电压开启电压开启电压V VGS(th)GS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。VGS反型层加厚反型层加厚沟道电阻变小。沟道电阻变小。当当VGS耗尽层加宽耗尽层加宽反型层反型层N型型导电沟道，导电沟道，如如图图(C)所示。所示。反型层反型层VGS越大，反型层中越大，反型层中n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。电子线性电路第3章场效应管2、当
8、、当VGSVGS(th)且一定时，且一定时，VDS对沟道导电能力对沟道导电能力i iD D的的影响。影响。VDSDS VGDGD沟道变窄沟道变窄沟道变窄沟道变窄若若若若V VG GD D=V VGS(th)GS(th)预夹断预夹断 V VDSDS（假设（假设V VGSGS V VGS(th)GS(th)且保持不变）且保持不变）电子线性电路第3章场效应管 V VDSDS夹断区加长，沟夹断区加长，沟夹断区加长，沟夹断区加长，沟道变短道变短道变短道变短 预夹断前：预夹断前：ds间呈电阻特性间呈电阻特性 预夹断后：预夹断后：预夹断后：预夹断后：VGD VGS(th),在VDSVGS VGS(th)时，
9、夹断点到的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件,源漏极可以互换。电子线性电路第3章场效应管3.1.3 EMOS场效应特性场效应特性 一、一、伏安特性伏安特性 转移特性曲线输出特性曲线非饱和区：vGSVGS(th)0vDSVGS(th)vDSvGSVGS(th)截止区：iD=0击穿区：vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿+TVDSIG 0VGSID+-电子线性电路第3章场效应管 NEMOS 管输出特性曲线管输
10、出特性曲线q 非饱和区非饱和区特点：特点：ID 同时受同时受 VGS 与与 VDS 的控制。的控制。当当 VGS为常数时，为常数时，VDSID 近似线性近似线性，表现为一种电阻特性；，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5 V3.5 V4 V4.5 V当当 VDS为常数时，为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。沟道预夹断前对应的工作区。条件：条件：VGS VGS(th)V DS VGS(th)V DS VGS VGS(th)考考虑虑到到沟沟道道长长度度调调制制效效应应，输输出出特特性
11、性曲曲线线随随 VDS 的的增加略有上翘。增加略有上翘。注意：饱和区注意：饱和区(又称有源区又称有源区)对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。电子线性电路第3章场效应管数学模型：数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：的修正方程：工工作作在在饱饱和和区区时时，MOS 管管的的正正向向受受控控作作用用，服服从从平方律关系式：平方律关系式：其中，其中，称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与 l 有关。有关。通常通常 =(0.005 0.03)V-1电子线性电路第3章场效应管SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-看成压控电流源电
12、子线性电路第3章场效应管 例例 在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG11.2 M，RG20.8 M，RS4 k，RD10 k，VDD20 V，管子参数为CoxW/(2l)0.25 mA/V2，VGS(th)2 V，试求ID。解解 设MOS管工作在饱和区，舍去电子线性电路第3章场效应管q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于 MOS 管三个电极断开。管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5 V3.5 V4 V4.5 V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGS VGS(th)ID=0 以下的工作区域。以下的工作区域。IG 0，ID 0q
13、 击穿区击穿区 VDS 增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬 PN 结雪崩击穿结雪崩击穿 ID 剧增。剧增。VDS 沟道沟道 l 对于对于 l 较小的较小的 MOS 管管 穿通击穿。穿通击穿。电子线性电路第3章场效应管由由于于 MOS 管管 COX 很很小小，因因此此当当带带电电物物体体(或或人人)靠靠近近金金属属栅栅极极时时，感感生生电电荷荷在在 SiO2 绝绝缘缘层层中中将将产产生生很很大大的的电电压压 VGS(=Q/COX)，使使绝绝缘缘层层击击穿穿，造造成成 MOS 管管永永久久性损坏性损坏。MOS 管保护措施：管保护措施：分立的分立的 MOS 管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地。各极
14、引线短接、烙铁外壳接地。MOS 集成电路：集成电路：TD2D1D1 D2 一一方方面面限限制制 VGS 间间最最大大电电压压，同同时时对对感感 生生电电荷起旁路作用。荷起旁路作用。电子线性电路第3章场效应管 NEMOS 管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5 V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，可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5 V3.5 V4 V4.5 VVDS=5 VID/mAVGS/VO12345转转移移特特性性曲曲线线中中，
15、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)。电子线性电路第3章场效应管亚阈区：亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阈区或弱反型层区。一般应避免工作在此区域电子线性电路第3章场效应管衬底效应衬底效应 某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th)相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电
16、极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。电子线性电路第3章场效应管q P 沟道沟道 EMOS 管管+-+-VGSVDS+-+-SGBDNN+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。即即 VDS 0、VGS 0，VGS 正、负、零均可。正、负、零均可。外部工作条件：外部工作条件：DMOS 管在饱和区与非饱和区的管在饱和区与非饱和区的 ID 表达式表达式与与 EMOS管管 相同相同。PDMOS 与与 NDMOS 的差别仅在于电压极性与电流方向相反。的差别仅在于电压极性与电流方向相反。电子线性电路第3章场效应管一、直流大信号简化电路
17、模型一、直流大信号简化电路模型(与三极管相对照与三极管相对照)场效应管场效应管 G、S 之间开路之间开路，IG 0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为三极管发射结由于正偏而导通，等效为 VBE(on)。FET 输出端等效为输出端等效为压控压控电流源，满足电流源，满足平方律平方律方程：方程：三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源，满足电流源，满足 IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-场效应管等效电路场效应管等效电路电子线性电路第3章场效应管二、二、小信号模型小信号模型 1饱和区小信号模型饱和区小信号模型 电子线性电路第3
18、章场效应管受控电流源电子线性电路第3章场效应管用戴维宁定理将电流源转换为电压源：用戴维宁定理将电流源转换为电压源：电子线性电路第3章场效应管考虑衬底效应：考虑衬底效应：gmb为衬底跨导，也称背栅跨导为常数，一般为0.10.2电子线性电路第3章场效应管高频小信号模型：高频小信号模型：LOV是根据经验值推导得到的栅极与源极或漏极交叠长度。为栅极与衬底之间电容。分别是漏区与衬底和源区与衬底之间PN结的势垒电容。当源极和衬底相连时，MOS管高频小信号模型可以简化为：源极和衬底相连MOS管截止频率：电子线性电路第3章场效应管2非饱和区小信号模型非饱和区小信号模型 工作于非饱和区的MOS场效应管的低频小信
19、号模型等效为一个电阻 高频小信号模型:电子线性电路第3章场效应管n沟道沟道：衬底接最低电位，iD为电子电流，vDS0，vGS正向增加，iD增加；n沟道沟道：衬底接最高电位，iD为空穴电流，vDS0，vGS负向增加，iD增加。n二者的大信号和小信号等效模型相同；n目前，MOS器件一般采用BSIM3V3模型描述，适用于计算机仿真，该模型已成为一种工业标准。器件小结器件小结电子线性电路第3章场效应管四种四种MOS管比较管比较名称N沟道P沟道EMOSDMOSEMOSDMOS电路符号非饱和区饱和区转移特性电子线性电路第3章场效应管场场效效应应管管电电路路分分析析方方法法与与三三极极管管电电路路分分析析方
20、方法法相相似似，可可以以采采用用估估算算法法分分析析电电路路直直流流工工作作点点；采采用用小小信信号等效电路法号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。MOS 管电路分析方法管电路分析方法场场效效应应管管估估算算法法分分析析思思路路与与三三极极管管相相同同，只只是是由由于于两两种种管管子子工工作作原原理理不不同同，从从而而使使外外部部工工作作条条件件有有明明显显差差异异。因因此此用用估估算算法法分分析析场场效效应应管管电电路路时时，一一定定要要注意自身特点。注意自身特点。q 估算法估算法39电子线性电路第3章场效应管 MOS 管管截止模式判断方法截止模式判断方法假定假定 MOS 管工作在
21、放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式(需重新需重新计算计算 Q 点点)N 沟道管：沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件 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由直流通路写出管外电路 VGS与与 ID 之间关系式。之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：判断电路工作模式：若若|VDS|VGSVGS(th)|若若|VDS|VGSVGS(th)，VGS VGS(th)，假设成立。假设成立。41电子线性电路第3章场效应管q 小信号等效电路法小信号等效电
22、路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。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。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路；画交流通路；将将 FET 用小信号电路模型代替；用小信号电路模型代替；计算微变参数计算微变参数 gm、rds；注：具体分析将在第注：具体分析将在第 4 章中详细介绍。章中详细介绍。42电子线性电路第3章场效应管电子线性电路第3章场效应管3.2 结型场效应管结型场效应管 P沟道JFETN沟道JFET电子线性电路第3章场效应管3.2.1 工作原理工作原理沟道JFET：正常工作时，P+N结反偏，阻挡层主要向低搀杂的区扩展，在vDS的作用下形成电流
23、iD。搀杂浓度越低，VGS(off)越大（绝对值越小）。随着vDS的增加，近漏端被夹端时，JFET沟道的导电能力受vGS和vDS的控制与MOS相似。非饱和区饱和区沟道未形成沟道形成电子线性电路第3章场效应管3.2.2 伏安特性曲线伏安特性曲线输出特性曲线：输出特性曲线：一、非饱和区一、非饱和区电子线性电路第3章场效应管转移特性曲线二、饱和区二、饱和区计及沟道长度调制效应JFET看作压控电流源 三、截止区三、截止区四、击穿区四、击穿区vGSVGS(off)，iD=0 随着vDS增加，近漏端PN结发生雪崩击穿，vGS越负，V(BR)DS越小 电子线性电路第3章场效应管3.3 场效应管应用原理场效应
24、管应用原理3.3.1 有源电阻有源电阻N N沟道沟道EMOSEMOS管构成有源电阻：管构成有源电阻：注意区分有源电阻的直流电阻和交流电阻。伏安特性：伏安特性：N N沟道沟道DMOSDMOS管构成有源电阻：管构成有源电阻：电子线性电路第3章场效应管用有源电阻接成的分压器：若两管工艺参数相同，则 电子线性电路第3章场效应管3.3.2 MOS开关开关NMOS管工作在非饱和区，导通电阻：由于vGSvG-vI，vGS随着vI的增大而减小，使Ron增大，当vGS接近VGS(th)时，Ron迅速增大。同理，若采用PMOS开关，Ron随着vI的减小而增加。NMOS导通电阻CMOS开关导通电阻电子线性电路第3章
25、场效应管MOS开关应用举例：开关电容电路开关应用举例：开关电容电路S1和S2轮流导通，在一个时钟周期内从输入端到输出端的平均电流为该开关电容电路可等效为一个电阻电子线性电路第3章场效应管3.3.3 逻辑门电路逻辑门电路一、一、CMOS反相器反相器逻辑符号 电路二、二、CMOS或非门或非门 逻辑符号 电路电子线性电路第3章场效应管三、三、CMOS与非门与非门 逻辑符号 电路四、四、CMOS传输门传输门 逻辑符号 电路电子线性电路第3章场效应管五、五、锁存器锁存器 结构图 电路图 电子线性电路第3章场效应管器件部分小结半导体物理基础知识半导体物理基础知识了解了解：本征半导体 杂质半导体 本征激发 掺杂 漂移、扩散 本征热平衡载流子浓度 质量作用定律 电中性方程电子线性电路第3章场效应管 了解了解：PN结的形成 二极管特点 单向导电性 掌握掌握：PN结的特性 V-I 击穿 电容 温度 开关 二极管模型二极管二极管电子线性电路第3章场效应管三极管三极管 了解了解：三极管结构 载流子传输 直流电流传输方程 掌握掌握：三电流间的近似关系 三极管特点 正向受控作用 三极管模型 特性及其主要参数 应用及分析方法 基区宽度调制效应及影响电子线性电路第3章场效应管演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew3rew2023/5/20电子线性电路第3章场效应管