電子線路(線性部分)第三章第一頁，共52頁。概述場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別：場效應(yīng)管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應(yīng)管分類：MOS場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管第二頁，共52頁。3.1MOS場效應(yīng)管P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

P溝道（PMOS）

N溝道（NMOS）

MOSFET增強型（EMOS）

耗盡型（DMOS）

N溝道MOS管與P溝道MOS管工作原理相似，不同之處僅在于它們形成電流的載流子性質(zhì)不同，因此導(dǎo)致加在各極上的電壓極性相反。第三頁，共52頁。N+N+P+P+PUSGD3.1.1增強型MOS場效應(yīng)管

N溝道EMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖源極漏極襯底極

SiO2絕緣層金屬柵極P型硅襯底SGUD電路符號l溝道長度W溝道寬度第四頁，共52頁。

N溝道EMOS管外部工作條件

VDS>0

(保證柵漏PN結(jié)反偏)。

U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。

VGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N溝道EMOS管工作原理柵襯之間相當(dāng)于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。第五頁，共52頁。

N溝道EMOSFET溝道形成原理假設(shè)VDS=0，討論VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空間電荷區(qū)并與PN結(jié)相通VGS襯底表面層中負離子、電子VGS開啟電壓VGS(th)形成N型導(dǎo)電溝道表面層n>>pVGS越大，反型層中n

越多，導(dǎo)電能力越強。反型層第六頁，共52頁。

VDS對溝道的控制（假設(shè)VGS>VGS(th)且保持不變）

VDS很小時

→

VGDVGS。此時W近似不變，即Ron不變。由圖

VGD=VGS-VDS因此VDS→ID線性。

若VDS→則VGD→近漏端溝道→

Ron增大。此時Ron→ID變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+第七頁，共52頁。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時→A點出現(xiàn)預(yù)夾斷若VDS繼續(xù)→A點左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)此時VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS（恒定）若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為l

不變（即Ron不變）。因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID基本維持不變。

第八頁，共52頁。若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)則VDS→溝道長度l→溝道電阻Ron略。因此

VDS→ID略。由上述分析可描繪出ID隨VDS變化的關(guān)系曲線：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定曲線形狀類似三極管輸出特性。第九頁，共52頁。

MOS管僅依靠一種載流子（多子）導(dǎo)電，故稱單極型器件。

三極管中多子、少子同時參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。

利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變感生電荷的多少，從而改變感生溝道的寬窄，控制漏極電流ID。MOSFET工作原理：第十頁，共52頁。由于MOS管柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。共源組態(tài)特性曲線：ID=f(VGS)VDS=常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID=f(VDS)VGS=常數(shù)輸出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。第十一頁，共52頁。

NEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當(dāng)VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V當(dāng)VDS為常數(shù)時，VGSID，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。溝道預(yù)夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非飽和區(qū)又稱為可變電阻區(qū)。

VDS=VGS–VGS(th)相當(dāng)于三極管VCE=0.3V即：VGD>VGS(th)

第十二頁，共52頁。數(shù)學(xué)模型：此時MOS管可看成阻值受VGS控制的線性電阻器：VDS很小MOS管工作在非飽區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中：W、l為溝道的寬度和長度。COX

（=/OX）為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。第十三頁，共52頁。飽和區(qū)特點：

ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。即：VGD<VGS(th)

第十四頁，共52頁。數(shù)學(xué)模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程：工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：其中：稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l有關(guān)。通常=(0.005~0.03)V-1第十五頁，共52頁。截止區(qū)特點：相當(dāng)于MOS管三個電極斷開。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)條件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作區(qū)域。IG≈0，ID≈0

擊穿區(qū)

VDS增大到一定值時漏襯PN結(jié)雪崩擊穿

ID劇增。

VDS溝道l對于l較小的MOS管穿通擊穿。第十六頁，共52頁。由于MOS管COX很小，因此當(dāng)帶電物體（或人）靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1D2一方面限制VGS間最大電壓，同時對感生電荷起旁路作用。第十七頁，共52頁。

NEMOS管轉(zhuǎn)移特性曲線VGS(th)=3VVDS=5V轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS為常數(shù)時，VGS對ID的控制作用,可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345轉(zhuǎn)移特性曲線中,ID=0時對應(yīng)的VGS值,即開啟電壓VGS（th）。第十八頁，共52頁。

襯底效應(yīng)集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證U與S、D之間PN結(jié)反偏，襯底應(yīng)接電路最低電位（N溝道）或最高電位（P溝道）。若|VUS|-+VUS耗盡層中負離子數(shù)因VGS不變（G極正電荷量不變）IDVUS=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根據(jù)襯底電壓對ID的控制作用，又稱U極為背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻擋層寬度表面層中電子數(shù)第十九頁，共52頁。

P溝道EMOS管+-

VGSVDS+-NN+P+SGDUP+N溝道EMOS管與P溝道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加電壓極性相反、電流ID流向相反。不同之處：電路符號中的箭頭方向相反。第二十頁，共52頁。3.1.2耗盡型MOS場效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS

DMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時，導(dǎo)電溝道已存在溝道線是實線第二十一頁，共52頁。

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS>0，VGS正、負、零均可。外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。第二十二頁，共52頁。3.1.3四種MOS場效應(yīng)管比較

電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)第二十三頁，共52頁。

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型

VDS極性取決于溝道類型N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0

VGS極性取決于工作方式及溝道類型增強型MOS管：

VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：

VGS

取值任意。飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān)

第二十四頁，共52頁。臨界飽和工作條件非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）工作條件|VDS|=|VGS–VGS(th)||VGS|>|VGS(th)|，|VDS|>|VGS–VGS(th)|即：VGD<VGS(th)

|VGS|>|VGS(th)|，飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|VDS|<|VGS–VGS(th)|即：VGD<VGS(th)

|VGS|>|VGS(th)|，非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數(shù)學(xué)模型飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型由VDS很小，可得+TVDSVGSID+--第二十五頁，共52頁。

FET直流簡化電路模型(與三極管相對照)

場效應(yīng)管G、S之間開路，IG0，開啟電壓VGS(th)

。三極管發(fā)射結(jié)由于正偏而導(dǎo)通，等效為VBE(on)。

FET輸出端等效為壓控電流源，滿足平方律方程：

三極管輸出端等效為流控電流源，滿足IC=

IBSGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-第二十六頁，共52頁。3.1.4小信號電路模型

MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照)

gmvgsrdsgdsicvgs-vds++-

rds為場效應(yīng)管輸出電阻：

由于場效應(yīng)管IG0，所以輸入電阻rgs。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達式相似。rbercebceibic+--+vbevcegmvbe第二十七頁，共52頁。

MOS管跨導(dǎo)利用得三極管跨導(dǎo)通常MOS管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個數(shù)量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。第二十八頁，共52頁。計及襯底效應(yīng)的MOS管簡化電路模型考慮到襯底電壓vus對漏極電流id的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-gmuvusgmu稱背柵跨導(dǎo)，工程上為常數(shù)，一般=0.1~0.2,若vus=0，可不考慮第二十九頁，共52頁。

MOS管高頻小信號電路模型當(dāng)高頻應(yīng)用、需計及管子極間電容（相對較大）影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容（漏襯與源襯之間的勢壘電容）柵漏極間平板電容第三十頁，共52頁。場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。3.1.5

MOS管電路分析方法場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點。估算法第三十一頁，共52頁。

MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非飽和模式（需重新計算Q點）N溝道管：VGS<VGS(th)P溝道管：VGS>VGS(th)截止條件非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關(guān)系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若|VDS|>|VGS–VGS(th)|若|VDS|<|VGS–VGS(th)|b)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：即：VGD>VGS(th)

即：VGD<VGS(th)

+TVDSVGSID+--第三十二頁，共52頁。例1

已知nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求ID解：假設(shè)T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M4kTSRG1RG2RDRS0.8M10kGID帶入已知條件解上述方程組得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V（舍去）VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V因此驗證得知：VDS>VGS–VGS(th)，VGS>VGS(th)，假設(shè)成立。第三十三頁，共52頁。小信號等效電路法場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似。利用微變等效電路分析交流指標。畫交流通路將FET用小信號電路模型代替計算微變參數(shù)gm、rds注：具體分析將在第四章中詳細介紹。第三十四頁，共52頁。3.2結(jié)型場效應(yīng)管

JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD第三十五頁，共52頁。

N溝道JFET管外部工作條件

VDS>0(保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS<0(保證柵源PN結(jié)反偏)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-第三十六頁，共52頁。

VGS對溝道寬度的影響|VGS|

阻擋層寬度若|VGS|

繼續(xù)溝道全夾斷使VGS=VGS(off)夾斷電壓若VDS=0NGSD

+

VGSP+P+N型溝道寬度溝道電阻Ron第三十七頁，共52頁。

VDS很小時

→

VGDVGS由圖

VGD=VGS-VDS因此VDS→ID線性

若VDS→則VGD→近漏端溝道→

Ron增大。此時Ron→ID變慢

VDS對溝道的控制（假設(shè)VGS一定）NGSD

+VGSP+P+VDS+-此時W近似不變即Ron不變第三十八頁，共52頁。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(off)時→A點出現(xiàn)預(yù)夾斷若VDS繼續(xù)→A點下移→出現(xiàn)夾斷區(qū)若忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則近似認為l

不變（即Ron不變）。因此預(yù)夾斷后：VDS→ID基本維持不變。

NGSD

+VGSP+P+VDS+-ANGSD

+VGSP+P+VDS+-A第三十九頁，共52頁。利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場效應(yīng)，通過柵源電壓VGS的變化，改變阻擋層的寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬窄，控制漏極電流ID。JFET工作原理：綜上所述，JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應(yīng)控制電流，不同之處僅在于導(dǎo)電溝道形成的原理不同。第四十頁，共52頁。

NJFET輸出特性非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))特點：ID同時受VGS與VDS的控制。條件：VGS>VGS(off)0<V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2伏安特性曲線線性電阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V第四十一頁，共52頁。飽和區(qū)(放大區(qū))特點：ID只受VGS控制，而與VDS近似無關(guān)。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V數(shù)學(xué)模型：條件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在飽和區(qū)，JFET的ID與VGS之間也滿足平方律關(guān)系，但由于JFET與MOS管結(jié)構(gòu)不同，故方程不同。第四十二頁，共52頁。截止區(qū)特點：溝道全夾斷的工作區(qū)條件：VGS<VGS(off)IG≈0，ID=0

擊穿區(qū)VDS增大到一定值時近漏極PN結(jié)雪崩擊穿ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID劇增。VGS越負則VGD越負相應(yīng)擊穿電壓V(BR)DS越小第四十三頁，共52頁。

JFET轉(zhuǎn)移特性曲線同MOS管一樣，JFET的轉(zhuǎn)移特性也可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到(略)。ID=0時對應(yīng)的VGS值夾斷電壓VGS（off）。VGS(off)ID/mAVGS/V0IDSS

(N溝道JFET)ID/mAVGS/V0IDSSVGS(off)

(P溝道JFET)VGS=0時對應(yīng)的ID值飽和漏電流IDSS。第四十四頁，共52頁。

JFET電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型不同，因此，跨導(dǎo)計算公式不同。

JFET電路模型VGSSDGIDIG0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-SIDGD（共源極）（直流電路模型）（小信號模型）利用得第四十五頁，共52頁。各類FET管VDS、VGS極性比較

VDS極性與ID流