1、3.1MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,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。,增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,N 溝道 EMOSFET 結(jié)構(gòu)示意圖,N 溝道 EMOS 管外部工作條件,vDS 0 (形成漏極流向源極的電流),B 接電路最低電位或與 S 極相連(保證源、漏與襯 PN 結(jié)反偏),vGS 0 (形成導(dǎo)電溝道),N溝道 EMOS 管工作原理,N 溝道 EMOSFET 溝道形成原理,假設(shè) vDS = 0，討論 vGS 作用,vGS 越大，反型層中 n 越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。,單位面積柵電容：,溝道中導(dǎo)電載流子濃度

2、：,vDS 對(duì)溝道的控制(假設(shè) vGS VGS(th) 且保持不變),vDS 很小時(shí) vGD vGS 。此時(shí) W 近似不變，即 Ron 不變。,由圖vGD = vGS - vDS,因此 vDSiD 線性 。,若 vDS 則 vGD 近漏端溝道W Ron增大。,此時(shí) Ron iD 變慢。,當(dāng) vDS 增加到使 vGD = VGS(th) 時(shí) A 點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷,若 vDS 繼續(xù) A 點(diǎn)左移 出現(xiàn)夾斷區(qū),此時(shí) vAS = vAG + vGS = -VGS(th) + vGS (恒定),若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則近似認(rèn)為 l 不變(即 Ron不變)。,因此預(yù)夾斷后：,vDS iD 基本維持不變。,若考

3、慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),則 vDS 溝道長(zhǎng)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：,曲線形狀類似三極管輸出特性。,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(shí)參與導(dǎo)電，故稱雙極型器件。,利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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：,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：,伏安特性,轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場(chǎng)效應(yīng)管同一物理過(guò)程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。,NEM

4、OS 管輸出特性曲線,非飽和區(qū),特點(diǎn)：,iD 同時(shí)受 vGS 與 vDS 的控制。,當(dāng) vGS為常數(shù)時(shí)，vDSiD 近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性；,當(dāng) vDS為常數(shù)時(shí)，vGS iD ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。,溝道預(yù)夾斷前對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。,因此，非飽和區(qū)又稱為變阻區(qū)。,數(shù)學(xué)模型：,vDS 很小 MOS 管工作在非飽和區(qū)時(shí)，iD 與 vDS 之間呈線性關(guān)系：,其中，W、l 為溝道的寬度和長(zhǎng)度。,注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。,飽和區(qū),特點(diǎn)：,iD 只受 vGS 控制，而與 vDS 近似無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。,溝道預(yù)夾斷后對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。,考慮到溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨

5、 VDS 的增加略有上翹。,注意：飽和區(qū)(放大區(qū))對(duì)應(yīng)三極管的放大區(qū)。,數(shù)學(xué)模型：,若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則 ID 的修正方程：,工作在飽和區(qū)時(shí)，MOS 管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：,其中， 稱溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)，其值與 l 有關(guān)。,iD隨溫度升高而下降的負(fù)溫度特性，與三極管相反，有利于提高管子的熱穩(wěn)定性。,截止區(qū),特點(diǎn)：,相當(dāng)于 MOS 管三個(gè)電極斷開。,溝道未形成時(shí)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(shí)漏襯 PN 結(jié)雪崩擊穿 iD 劇增。,vDS 溝道 l 對(duì)于 l 較小的 MOS 管 穿通擊穿。

6、,由于 MOS 管 COX 很小，因此當(dāng)帶電物體(或人)靠近金屬柵極時(shí)，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(hù)措施：,分立的 MOS 管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。,MOS 集成電路：,D1、D2 限制 vGS 間最大電壓,NEMOS 管轉(zhuǎn)移特性曲線,VGS(th) = 3V,vDS = 5 V,轉(zhuǎn)移特性曲線反映 vDS 為常數(shù)時(shí)，vGS 對(duì) iD 的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。,vDS = 5 V,轉(zhuǎn)移特性曲線中，iD = 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的 vGS 值，即開啟電壓 VGS(th) 。,襯底效應(yīng),

7、集成電路中，許多 MOS 管做在同一襯底上，為保證 B 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| vBS | ,耗盡層中負(fù)離子數(shù),因 vGS 不變(G 極正電荷量不變),iD ,根據(jù)襯底電壓對(duì) iD 的控制作用，又稱 B 極為背柵極。,阻擋層寬度 ,表面層中電子數(shù) ,P 溝道 EMOS 管,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(hào)中的箭頭方向相反。,耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管,DMOS 管結(jié)構(gòu),NDMOS 管伏安特性,vDS 0

8、，vGS 正、負(fù)、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(dá)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。,MOSFET大信號(hào)電路模型,場(chǎng)效應(yīng)管 G、S 之間開路 ，IG 0。,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 = IB 。,飽和區(qū),三極管,MOS小信號(hào)電路模型,MOS 管飽和區(qū)小信號(hào)電路模型,rds 為場(chǎng)效應(yīng)管輸出電阻：,由于場(chǎng)效應(yīng)管 iG 0，所以輸入電阻 rgs 。,而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻 rbe

9、 較小。,與三極管輸出電阻表達(dá)式 rce 1/(ICQ) 相似。,（ 溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)， =1/VA）,三極管,飽和區(qū),MOS 管跨導(dǎo),通常 MOS 管的跨導(dǎo)比三極管的跨導(dǎo)要小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，即 MOS 管放大能力比三極管弱。,計(jì)及襯底效應(yīng)的電路模型（襯底與源極不相連）,考慮到襯底電壓 vBS 對(duì)漏極電流 iD 的控制作用，小信號(hào)等效電路中需增加一個(gè)壓控電流源 gmbvbs。,gmb 稱背柵跨導(dǎo)，工程上, 為常數(shù)，一般 = 0.1 0.2。,MOS 管高頻小信號(hào)電路模型,當(dāng)高頻應(yīng)用，需考慮管子極間電容影響，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。,MOS 管非飽和區(qū)等效模型,工作于非飽和區(qū)的MOSFET的

10、低頻小信號(hào)模型等效為一個(gè)線性電阻。,MOSFET高頻性能,四種 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管比較,電路符號(hào)及電流流向,轉(zhuǎn)移特性,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(qiáng)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(wú)關(guān),臨界飽和工作條件,非飽和區(qū)(變阻區(qū))工作條件,|vDS | = | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th) |，,|vDS | | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th)

11、 | ，,飽和區(qū)(放大區(qū))工作條件,|vDS | | vGS VGS(th) |,|vGS| |VGS(th) |，,非飽和區(qū)(變阻區(qū))數(shù)學(xué)模型,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(jì)算 Q 點(diǎn)),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| |VGSVGS(th)|,若 |VDS| |VGSVGS(th)|,b)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：,M O S 電 路 分 析 方 法,例 已知 nCOXW/(2l) = 0.25

12、mA/V2，VGS(th)= 2 V，求 ID 。,解：,假設(shè) T 工作在放大模式,代入已知條件解上述方程組得：,VDS = VDD - ID (RD + RS) = 6 V,因此,驗(yàn)證得知：,VDS VGSVGS(th) ，,VGS VGS(th)，,假設(shè)成立。,小信號(hào)等效電路法,場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)等效電路分析法與三極管相似。,分析交流指標(biāo)。,畫交流通路；,將 FET 用小信號(hào)電路模型代替；,計(jì)算微變參數(shù) gm、rds；,注：具體分析將在第 4 章中詳細(xì)介紹。,3.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,JFET 結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào),N溝道 JFET 管外部工作條件,vDS 0 (保證柵漏 PN 結(jié)反偏),vGS 0

13、 (保證柵源 PN 結(jié)反偏,實(shí)際小于VD(on)即可),JFET 管工作原理,vGS 對(duì)溝道寬度的影響,若 vDS = 0,vDS 很小時(shí) vGD vGS,由圖 vGD = vGS - vDS,因此 vDSiD 線性 ,若 vDS 則 vGD 近漏端溝道 Ron 增大。,此時(shí) Ron iD 變慢,vDS 對(duì)溝道的控制(假設(shè) vGS 一定),此時(shí) W 近似不變,即 Ron 不變,當(dāng) vDS 增加到使 vGD = VGS(off) 時(shí) A 點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷,若 vDS 繼續(xù)A 點(diǎn)下移 出現(xiàn)夾斷區(qū),此時(shí) vAS = vAG + vGS = -VGS(off) + vGS (恒定),若忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)

14、，則近似認(rèn)為 l 不變(即 Ron不變)。,因此預(yù)夾斷后：,vDS iD 基本維持不變。,利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)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(chǎng)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。,若考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，則iD略有增大。,NJFET 輸出特性,非飽和區(qū),特點(diǎn)：,iD 同時(shí)受 vGS 與 vDS 的控制。,伏安特性曲線,線性電阻：,IDSS 是vGS0 ，vDS -VGS(off)時(shí)的漏極電流,飽和區(qū)(放大區(qū)),特點(diǎn)：,iD 只受

15、 vGS 控制，而與 vDS 近似無(wú)關(guān)。,數(shù)學(xué)模型：,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。,截止區(qū),特點(diǎn)：,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(shí) 近漏極 PN 結(jié)雪崩擊穿, 造成 iD 劇增。,vGS 越負(fù) 則 vGD 越負(fù) 相應(yīng)擊穿電壓 V(BR)DS 越小,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。,iD = 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的 vGS 值 夾斷電壓 VGS(off),vGS = 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的 iD 值 飽和漏電流 IDSS,JFET電路模型與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(jì)算公式不同。,JFET 電路模型,利用,得,各類 FET 管 vDS、vGS 極性比較,vDS 極性與 iD 流向僅取決于溝道類型,vGS 極性取決于工作方式及溝道類型,由于 FET 類型較多，單獨(dú)記憶較困難，現(xiàn)將各類 FET 管 vDS、vGS 極性及 iD 流向歸納如下：,N 溝道 FET：vDS 0，iD 流入管子漏極。,P 溝道 FET：vDS 0，iD 自管子漏極流出。,JFET 管： vGS 與 vDS 極性相反。,場(chǎng)效應(yīng)管與三極管性能比較,在相同功耗的情況