场效应晶体管工作原理及应用课件.ppt

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第3章场效应管,概述,3.1MOS场效应管,3.2结型场效应管,3.3场效管应用原理,概述,场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。

它体积小、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。

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：

第3章场效应管,3.1MOS场效应管,N沟道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3章场效应管,3.1.1增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,第3章场效应管,N沟道EMOS管外部工作条件,VDS0（保证栅漏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）,N沟道EMOS管工作原理,第3章场效应管,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS=0，讨论VGS作用,VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。

第3章场效应管,VDS对沟道的控制（假设VGSVGS（th）且保持不变）,VDS很小时VGDVGS。

此时W近似不变，即Ron不变。

由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性。

若VDS则VGD近漏端沟道WRon增大。

此时RonID变慢。

第3章场效应管,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：

VDSID基本维持不变。

第3章场效应管,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VDSID略。

由上述分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：

曲线形状类似三极管输出特性。

第3章场效应管,MOS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：

第3章场效应管,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：

伏安特性,转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。

第3章场效应管,NEMOS管输出特性曲线,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；,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。

因此，非饱和区又称为可变电阻区。

第3章场效应管,数学模型：

此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：

VDS很小MOS管工作在非饱和区时，ID与VDS之间呈线性关系：

其中，W、l为沟道的宽度和长度。

COX（=/OX,SiO2层介电常数与厚度有关）为单位面积的栅极电容量。

注意：

非饱和区相当于三极管的饱和区。

第3章场效应管,饱和区,特点：

ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。

沟道预夹断后对应的工作区。

考虑到沟道长度调制效应，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3章场效应管,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3章场效应管,截止区,特点：

相当于MOS管三个电极断开。

沟道未形成时的工作区,条件：

VGSVGS（th）,ID=0以下的工作区域。

IG0，ID0,击穿区,VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿ID剧增。

VDS沟道l对于l较小的MOS管穿通击穿。

第3章场效应管,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：

D1、D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。

第3章场效应管,NEMOS管转移特性曲线,VGS（th）=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用，可由输出特性转换得到。

VDS=5V,转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS（th）。

第3章场效应管,衬底效应,集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（P沟道）。

若|VUS|,耗尽层中负离子数,因VGS不变（G极正电荷量不变）,ID,根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。

阻挡层宽度,表面层中电子数,第3章场效应管,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。

即VDS0、VGS0,外加电压极性相反、电流ID流向相反。

不同之处：

电路符号中的箭头方向相反。

第3章场效应管,3.1.2耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,第3章场效应管,NDMOS管伏安特性,VDS0，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3章场效应管,3.1.3四种MOS场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,第3章场效应管,饱和区（放大区）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：

VDS0,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,增强型MOS管：

VGS与VDS极性相同。

耗尽型MOS管：

VGS取值任意。

饱和区数学模型与管子类型无关,第3章场效应管,临界饱和工作条件,非饱和区（可变电阻区）工作条件,|VDS|=|VGSVGS（th）|,|VGS|VGS（th）|，,|VDS|VGSVGS（th）|,|VGS|VGS（th）|，,饱和区（放大区）工作条件,|VDS|VGSVGS（th）|,|VGS|VGS（th）|，,非饱和区（可变电阻区）数学模型,第3章场效应管,FET直流简化电路模型（与三极管相对照）,场效应管G、S之间开路，IG0。

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。

第3章场效应管,3.1.4小信号电路模型,MOS管简化小信号电路模型（与三极管对照）,rds为场效应管输出电阻：

由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs。

而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。

与三极管输出电阻表达式rce1/（ICQ）相似。

第3章场效应管,（沟道长度调制系数，=1/|VA|）,MOS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3章场效应管,计及衬底效应的MOS管简化电路模型（衬底与源极不相连）,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。

gmu称背栅跨导，工程上,为常数，一般=0.10.2。

第3章场效应管,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需考虑管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。

第3章场效应管,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,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。

估算法,第3章场效应管,MOS管截止模式判断方法,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）,非饱和与饱和（放大）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）|,b）利用饱和区数学模型：

第3章场效应管,例1已知nCOXW/（2l）=0.25mA/V2，VGS（th）=2V，求ID。

解：

假设T工作在放大模式,代入已知条件解上述方程组得：

VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V,因此,验证得知：

VDSVGSVGS（th），,VGSVGS（th），,假设成立。

第3章场效应管,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分析法与三极管相似。

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gm、rds；,注：

具体分析将在第4章中详细介绍。

第3章场效应管,3.2结型场效应管,JFET结构示意图及电路符号,第3章场效应管,N沟道JFET管外部工作条件,VDS0（保证栅漏PN结反偏）,VGS0（保证栅源PN结反偏）,3.2.1JFET管工作原理,第3章场效应管,VGS对沟道宽度的影响,若VDS=0,第3章场效应管,VDS很小时VGDVGS,由图VGD=VGS-VDS,因此VDSID线性,若VDS则VGD近漏端沟道Ron增大。

此时RonID变慢,VDS对沟道的控制（假设VGS一定）,此时W近似不变,即Ron不变,第3章场效应管,当VDS增加到使VGD=VGS（off）时A点出现预夹断,若VDS继续A点下移出现夹断区,此时VAS=VAG+VGS=-VGS（off）+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：

VDSID基本维持不变。

第3章场效应管,利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。

JFET工作原理：

综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。

第3章场效应管,NJFET输出特性,非饱和区（可变电阻区）,特点：

ID同时受VGS与VDS的控制。

3.2.2伏安特性曲线,线性电阻：

第3章场效应管,饱和区（放大区）,特点：

ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。

数学模型：

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3章场效应管,截止区,特点：

沟道全夹断的工作区,条件：

VGSVGS（off）,IG0，ID=0,击穿区,VDS增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿,造成ID剧增。

VGS越负则VGD越负相应击穿电压V（BR）DS越小,第3章场效应管,JFET转移特性曲线,同MOS管一样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到（略）。

ID=0时对应的VGS值夹断电压VGS（off）。

VGS=0时对应的ID值饱和漏电流IDSS。

第3章场效应管,JFET电路模型同MOS管相同。

只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。

JFET电路模型,利用,得,第3章场效应管,各类FET管VDS、VGS极性比较,VDS极性与ID流向仅取决于沟道类型,VGS极性取决于工作方式及沟道类型,由于FET类型较多，单独记忆较困难，现将各类FET管VDS、VGS极性及ID流向归纳如下：

N沟道FET：

VDS0，ID流入管子漏极。

P沟道FET：

VDS0，ID自管子漏极流出。

JFET管：

VGS与VDS极性相反。

第3章场效应管,场效应管与三极管性能比较,第3章场效应管,N沟道EMOS管GD相连构成有源电阻,3.3.1有源电阻,3.3场效应管应用原理,N沟道EMOS管工作在饱和区。

伏安特性：

第3章场效应管,N沟道DMOS管GS相连构成有源电阻,因此，当vDS0vGS（th）时，管子工作在饱和区。

伏安特性即vGS=0时的输出特性。

当vGS=0时，电路近似恒流输出。

第3章场效应管,有源电阻构成分压器,若两管n、COX、VGS（th）相同，则,联立求解得：

调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。

第3章场效应管,