mos管的特性050110.docx

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mos管的特性050110

场效应管的特性

下而以N沟道•结型场效应管为例说明场效应管的特性•图1.1为场效应管的漏极特性曲线。

输出持性曲线

（1）可变电阻区：

图中VDS很小,曲线靠近左边。

它表示管子预夹断前电斥•电流关系是：

当VDS较

小时.由于VDS的变化对沟道大小影响不大，沟道电阻基木为一常数，ID基木随VGS作线性变化「IV

GS恒定时，沟道导通电阻近似为一常数，从此总:

义上说，该区域为恒定电阻区，、勺VGS变化时.沟道导

通电阻的值将随VGS变化而变化.因此该区域又可称为可变电阻区。

利用这一持点，可用场效应管作为可

变电阻器。

（2）恒流区：

图中VDS较大，曲线近似水平的部分是恒流区，它表示管子预夹断后电压•电流的关系，即图1・

1两条虚线之何即为恒流区（或称为饱和区）该区的特点是ID的大小受VGS可控|VDS改变时ID几乎

不变.场效应管作为放大器使用时.一般匸作在此区域内。

（3）击穿区:

当VDS増加到某一临界值时，ID开始迅速增大，曲线上翘，场效应管不能正常匸作，甚至

烧毁•场效应管工作时要避免进入此区间.

（4）场效应管特性曲线的测试

场效应管的特性曲线可以用晶体管图示仪测试.也可以用逐点测虽:

法测试。

图1・2是川逐点测虽法测试场效应管特性曲线的原理图。

场效应管的转移特性曲线是漏源间电斥VDS保持不变，栅源间电压VGS与漏极电流ID的关系曲线，如图1.3所示：

在上图中.先调节VDD使VDS固定在某个数值上，十栅源电压VGS取不同的电压值时（调节RW）,I

D也将随之改变，利用测得的数据，便可在VGS〜ID直角坐标系上画出如图3.2.3的转移特性曲线。

十

VDS取不同的数值，便可得到另一条特性曲线oID=O时的VGS值为场效应管的夹断电压VP,VGS=O

时的ID值为场效应管的饱和漏极电流IDSSo

漏极特性曲线是十栅源间电压VGS保持不变时.漏极电流ID与漏源间电斥VDS的关系曲线「1VDS取不同的数值时便可测出与之对应的ID值，对于不同的VGS可以测得多条漏极持性曲线。

晶体管是电流控制器件.作放大器件用时，发射结必须正偏。

场效应管是电压控制器件.N沟道结型场效应管I：

作时G、

S间必须加反向偏宜电压。

附图10W单端A类场奴应耸功放电路讥端甲类场效应管

功放电路五花八门，各有特色.木机电路如附图所示。

为了获得靓丽的音色，采取简洁至上原则，女一个元件女一分失真，笋一条线路多一分失真。

现将电路原理作一简述.以抛砖引玉.其主要特点有以下一些。

（1）为J'避免普通音虽电位器传输失真，非稳态接触电阻、摩擦噪声和操作易感疲惫之嫌，木机采用音响型极低噪声VMOS场效应管IRFD113作抬触音虽控制c其相对于键控音虽电路又减少了一些元件，并加以屏蔽.使音虽控制部分的噪声系数达到ldB以下（VMOS场效应管噪声系数在0.5dB左右），敢与舟档真空步进电位器或无源变压器电位器抗衡•于•感更贴切人性化。

VMOS场效应管内阻商，属电压控制器件，在柵极及源极之间连接充电电容•由于栅漏电流极小.电容电压在很长一段时间内能基本保持不变。

、"I管子匸作于可调电阻区时•其漏源极电阻将受到栅源极电压即电容的电压所控制•这时管子相为于斥控可变电阻.当指触（依手指电阻导电）开关S1闭合,即向电容充电.当指触开关S2闭合,即将电容放电.从而达到以电斥控制漏源极电阻的目的。

将其按入音响设备中•即可调节音址的大小。

S1和S2可用薄银片或薄铜片制作.间距2mm左右•待涮试后确定，音址増减虽设宜在±2dB左右。

（2）由IRF510作电压放大，放大后的音频电压直耦至上糯管IRF150进行扩流并作源极输出，下诗管IRF150构成恒流源，直流为通路，交流为开路，使交流信号通过输出电容推动扬声器。

（3）由于VMOS场效应管具有负的电流温度系数.即在柵极与源极之间电压不变的情况下.导通电流会随管温升商而减小.从而避免管子二次击穿。

但管子温度的变化与电流的变化速率相差甚远.对此为了防止负温度系数惯性延迟而影响工作状态,本机在IRF510阴极串上一只适当阻值的正温度系数补偿电阻（100Q/2W）.以起到缓冲作用。

其原理是、没有阴极电阻时，IRF510栅源电压是恒定的固定偏压，与管子电流变化无关.加上阴极电阻后.X管流减小时.源极电位也降低°而相对于栅极來说.栅极电位便提商「这样栅源电乐就増大了.此时管子电流便増加了，从而适虽抵消负温度系数产生的电流陡坡现彖。

阴极电阻阻值大小决定这种作用的大小.从而起到适、“I的缓冲作用•此电阻并不是电流负反馈电阻。

（4）木机经考虏后不采用OCL即无输出电容电路，一则是为了扬声器安全.二则考虑零点失调电压尤其是动态时对扬声器音圈产生直流偏磁位移.直接影响扬声器性能.从而劣化音质。

由干大容址输出电容多为电解电容.一般认为噪声较大.而实际上这是一个信噪比的问題.关键是应州在什么电路，如将电解电容用在动圈唱头放大电路.就不合适，动圈唱头信号只有2mV左右，婆求放大电路具有较商的信噪比•用电解电容信噪比就低。

而将电解电容用于功放末级输出.情况就不一样了，信噪比相对低电平电路会有大幅度提商°另外一点.电解电容在使用前垠好进行通电老化•并择优选用，然后上机后再进行充分煲机，这样可降低噪声系数。

没有噪声的元器件是没有的.关键要合埋运用，并采取措施.以达到必要的目的。

木机为J'减小输出电解电容由于感抗对商频的影响，用3只电解电容并联以减小感抗.并将扬声器的负极接电解电容的负极，以钳位电解电容漏电流产生的音圈偏磁位移。

（5）木机场效应管偏圧由电源模块LM7812提供，功放电源不采取稳斥电源供电.以避免限制乐声的低频力度和动态，即降低电压换电流，降低功率换音质。

2009年世界20大半导体供应商初步排名

全球半导体产业2009年几乎没有什么值得商兴的爭情，营业收入预计下降12.4%•且10大供应商中只有一家实现増长。

但是，饱受打击的芯片制造商还有一点可聊以自慰：

情况没有变得更糟糕。

“2009年营业收入比2008年锐减320多亿美元，它将作为全球半导体行业史上最糟糕的年份之一留在人们的记忆之中，''iSuppli公司的髙级副总裁DaleFord表示，“但iSuppli公司下滑12.4%的初步估计，远远好于2009年初预期的暴跌逾20%”

“整个行业营业收入2008年第四季度环比下滑21.4%,2009年第一季度下降18%,导致业内弥漫悲观气氛。

不过，随后半导体销售出现有力反弹，第二和第三季度均环比增长18%以上，预汁第四季度上升5%.这种强劲回升意味着2009年情况将不会像今年早些时候曾经担心的那么黯淡。

“

2009年情况好于预期，是由于内存市场的表现意外强劲，以及消费电子和无线产品

市场的芯片销售大增。

三星逆势成长

半导体供应商普遍受到产业衰退的冲击，iSuppli公司追踪的135家领先半导体供应商中只有27家预汁将实现全年营收增长。

在10大供应商中，只有一家公司预11-2009年实现半导体营业收入增长：

韩国的三星电子。

虽然预计该公司的营业收入仅增长1.3%,但在这样一个低迷的年份仍是非常突岀的表现。

"三星受益于它在内存市场的优势地位，内存市场的表现远好于整体半导体行业，"Ford表示，“该公司在DRAM和NAND闪存领域都是头号供应商，这是内存市场的两个最大领域。

三星的表现优于整体内存市场，部分原因是它在利润率较髙的新型内存产品领域取得了早期领先地位，如DDR3SDRAM"

该公司在全球半导体市场保持第二的排需，仅次于美国的微处理器巨头英特尔。

下表为iSuppli公司对2009年全球前20大半导体供应商的初步排乳iSuppli

公司将在2010年年初发布其2009年市场份额最终估计。

2008Rank

2009Rank

CompanyNamt

2008Revenue

2009Revetue

PercentChange

PercentofTotal

tummulativePercent

1

1

Intel

33,767

32,095

•5.0%

14.2%

14.2%

2

2

SamsungElectronics

16.902

17.123

1.3%

7.6%

21.7%

3

3

Toshiba

11,081

10.640

40%

4.7%

26.4%

4

4

TexasInstruments

11.068

9.612

•13.2%

4.2%

30.6%

5

5

STMicroelectronics

10.325

8.400

•18.6%

37%

34.3%

8

6

Qualcomm

6,477

6.475

0・W

2.9%

37.2%

9

7

Hynix

6.023

5.940

•1.4%

2.6%

39.8%

6

8RenesasTechnology

7.017

5.664

•19.3%

2.5%

42.3%

12

SAdvaneedMicroDevices（AMD）

5,455

5.038

•7.6%

2.2%

44.5%

7

10Sony

6.950

4.670

•32.8%

2.1%

46.6%

11

11

NECElectronics

5,826

4.403

・24.4§

1.9%

48.5%

10

12

InfineonTechnologies

5,954

4,340

-27,n

1.9%

50.5%

14

13Broadcom

4,643

4198Q眺

1.9%

52.3%

16

14MicronTechnology

4.435

3.995-9.9%

1.8%

54.1%

24

15MediaTek

2.896

3.52421.7%

1.6%

55.6%

19

16

ElpidaMemory

3.599

3,498

•2.8%

1.5%

57.2%

13

17

FreescaleSemiconductor

4.966

3.344-32.7%

1.5%

58.6%

15

18

PanasomcCorporation

4,473

3.330・2&眺

1.5%

60.1%

17

19

NXP

4.055

3.247

•19M

1.4%

61.5%

18

20

SharpElectronics

3.607

2,886

那1.3%.62.8%

Top20Companies

159.519

142,422

—恥血厂

AllOthers

99.389

84,313

-15.2%37.2%

TotalSemiconductor

258訝08

226/35-12.4%

100.0%

Source:

i$uppliCorp.November2009

高通保持稳左，AMD削减亏损

2009年髙通公司有望取得10大供应商中的第二好表现，其营业收入预计持平于2008年。

这家总部在美国的无晶圆厂半导体公司，成功地保持其营业收入稳泄，受益于它在无线领域的打拼，以及它在手机基带芯片市场的份额不断上升。

这将使髙通2009年在全球半导体产业的排名上升两位，从2008年时的第八上升到第六位。

由于在微处理器市场表现强劲，美国AMD成功地把它的2009年营业收入下降幅度限制在7.6%•预计2009年微处理器市场下滑幅度也只有7.6%.这使AMD在缺席一年之后能够重新跻身10大之列，从2008年的第12位上升到第九。

日本索尼公司的表现在10大供应商中最差，2009年营业收入预计大减32.8%.这可能导致索尼的排轲从2008年的第七位下降到第10位。

索尼2009年表现不佳，与前两年的大幅增长形成鲜明对比。

索尼的营业收入大幅丧荡，主要源于内部销售的推动，并受索尼对自己的消费电子产品生产的内部管理的强烈影响。

剥离业务损及排名

剥离关键的业务部门，使两个顶级公司的2009年表现大受影响。

由于剥离有线半导体业务Lantiq,徳国英飞凌的排名掉出了前10.如果英飞凌不岀售该业务部门，它的2009年排名可能从2008年的第10上升至第九。

与之类似,如果不耙图像传感器供应商Aptina剥离成一个单独的公司，美国美光的营业收入将增长2.4%.2009年排冬有望上升到第11位。

联发科2009年表现神奇

放眼10大厂商以外的公司，台湾无晶圆厂半导体供应商联发科有望成为全球20大芯片制造商中业绩最佳者，营业收入预计大增21.7%.该公司凭借其手机基带芯片产品，抓住了中国大陆手机市场强劲增长的机会。

在另一个极端的是美国芯片供应商飞思卡尔公司，在20大供应商中排划下降幅度最大，2009年排名将从第13下降到第17位。

该公司的营业收入预计将下滑16亿美元。

“导致飞思卡尔营业收入下滑的罪魁祸首是英决左退岀手机半导体市场,'Tord指岀。

区域和应用趋势

经济衰退对于不同的区域市场和应用市场的影响明显不同。

2009年最具韧性的半导体市场领域是消费电子，预讣仅下降4.8%.表现第二好的将

是无线电子领域，预计仅下降6.5%.

到目前为止，受挫最严重的是汽车电子产业，预il•下滑23.7%.英次是数据处理领域，预计下降17.2%.

亚太地区有望取得最佳表现，作为半导体供应者和消费者都是如此。

实际上，总部设在亚洲的半导体公司的合计营业收入预计增长0.3%•而向亚太地区的总体半导体岀货量预期仅下降6.8%.

另一方面，欧洲是在2009年受挫最严重的地区。

而向欧洲的半导体岀货量预计下滑20.8%,总部在欧洲地区的公司的合计营业收入预计减少24.2%.

下表是iSuppli公司对2009年各地区半导体增长的初步估计。

IIRh

■tai

tatYIIUIIMli

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1

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1

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1V

101

«

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4

Ei

9

j酬a

B

LM

im

1B

MU川

2009年半导体产业的其它动态包括:

2009年内存市场将是所有主要半导体领域中表现最好的，预计仅下降6.7%•事实上,

NAND闪存可能实现两位数的增长，预计营业收入上升16.4%.

预计LED和NAND闪存是2009年唯一增长的半导体产品。

逻辑集成电路和微型元件（microconiponent）营业收入预计将分别减少11%和12.5%・

2009年最受打击的将是模拟集成电路市场，预讣下滑18.7%•其次将是传感器和致动

器，预计下滑16.3%汾立半导体元件预计下降15・9%・

场效应管应用原理

例1：

作反相湍用。

IVpll=IVp2l=Vp0

p沟道増强型.Tnm沟道增强型

-O

+

场效应管工作在可变电阻区时.iD随VDS的増加几乎成线性増大，而増大的比值受VGS控制。

所以可看成是受VGS控制的电阻。

绝缘栅场效应管（IGFET）的基本知识

1•増强型NMOS管

s：

Source源极，d：

Drain漏极，g：

Gate栅极.B：

Base衬底，在P型衬底扩散上2个N区，P型表面

加SQ2绝缘层，在N区加铝线引出电极。

2•増强型PMOS管

在N空衬底上扩散上2个P区，P型表血加SiO2绝缘层.在二个P区加铝线引出电极°PMOS与NMOS

管的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。

3•増强型NMOS管的工作原理

正常工作时外加电源电压的配宜：

（1）VGS=O,VDS=O：

漏源间是两个背釜背串联的PN结.所以d・s间不可能有电流流过，即ixO。

（2）q1VGS>0,VDS=O时：

d・s之间便开始形成导电沟道。

开始形成导电沟道所需的最小电斥称为开启电圧

VGS（ih）（习惯上常表示为VT）。

沟道形成过程作如下解释：

此时.在栅极与衬底之间产生一个垂直电场（方向为由栅极指向衬底）.它使漏・源之间的P型硅表面感应出电子层（反型层）使两个N区沟通，形成N型导电沟道。

如果•此时再加上VD

S电略将会产生漏极电流iDoM1VGS=0时没有导电沟道.而FVGS増强到>VT时才形成沟道•所以称为増强型MOS管。

并且VGS越大•感应电子层越厚.导电沟道越厚，等效沟道电阻越小•iD越大。

⑶为VGS>VT・VDS>0后.漏•源电压VDS产生横向电场：

由于沟道电阻的存在•il）沿沟道方向所产生的

电圧降使沟道上的电场产生不均匀分布。

近S端电压差较高，为VGS：

近d端电斥差较低，为VGD=VGS-

VDS,所以沟道的形状呈楔形分布。

l）-llVDS较小时：

VDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受VGS控制，所以VGS为定值时.沟道电阻保持不变,io随VDS增加而线性増加°此时，栅漏间的电压大于开启电压.沟道尚未夹断，

嗚％%泻0化亿十

2）MZ|VDS増加到VGS-VDS=VTB^（miVDS=VGS-VT）：

栅漏电斥为开启电压时，漏极端的感应层消失，沟道被夹断.称为••预夹断二

衬底

3）、"|VDS再増加时（即VDS>VGS-VT或VGD=VGS-VDS

ID将不再増加而基木保持不变。

因为VDS再增加时.近漏端上的预夹断点向S极延伸•使VDS的増加部分降落在倾夹断区，以维持iD的大小.

=%S—^Z）S°歼?

V快>Es—耳

伏安特性与电流方程：

⑴增强型NMOS管的转移特性：

在一定VDS下，栅•源电斥VGS与漏极电流il）之间的关系:

（匕）

IDO是VGS=2VT时的漏极电流。

（2）输岀特性（漏极特性）

表示漏极电流io漏•源电压VDS之间的关系:

与三极管的特性相似，也可分为3个区：

可变电阻区，放大区（恒流区、饱和区）.截止区侠断区）。

可变电

阻区管子导通，但沟道尚未预夹断，即满足的条件为：

＞心％=他7踞＞心。

在可变电阻

区il）仅受VGS的控制，而且随VDS増大而线性增大。

可模拟为受VGS控制的压控电阻R1）S・

O放大区（沟道被预夹断后）.又称恒流区、饱和区。

条件是:

＞今，％®二％S特征是iD主要受VGS控制，与VDS几乎无关，表现为较好的恒流

持性。

夹断区又称截I上区.管子没有导电沟道（VGSVVT）时的状态，上"J

4•耗尽型NMOS管

在制适过程中.人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大址的K（钾）或Na（钠）等正离子：

VGS=O,靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层.将两个N区连通.形成原始的N型导电沟道：

VDS-定，外加正栅压（VGS＞0）・导电沟道变厚，沟道等效电阻下降.漏极电流iD増大：

外加员栅压VGS＜0）时，沟道变薄，沟道电阻増大•iD减小：

VGS负到某一定值VGS（刖（常以VP表示.称为夹断电压），导电沟道消失.整个沟道被夹断•iDN），管子截止°

耗尽型NMOS的伏安特性:

二.结型场效应管（JFET）

结构与符号:

引岀栅极g。

N体的上下两端分别引出漏

在N区两侧扩散两个P+区，形成两个PN结。

两个P+区相连,

导电丿京理:

rnHIT

（1）VGS=O时，N型棒体导电沟道最宽（N型区）。

有rVDS后.沟道中的电流最大。

⑵VGSCO时，耗尽层加宽（主要向沟道一测加宽），并向沟道中间延伸.沟道变窄。

为VGSVVP（称为夹断电压）时，二个耗尽层増大到相遇•沟道消失.这时称沟道夹断.沟道中的载流子被耗尽。

若有VDS电压时•沟道电流也为零。

所以属于耗尽型FET,原理和特性与耗尽型MOSFET相似。

所不同的是JFET正常工作时.两个PN结必须反偏，如对N沟道JFET.婆求VGS<0.

加上负VGS电压和VDS电斥以后.VGD的负压比VGS大，所以，二个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄，使沟道形成楔形。

JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）控制iD・称为体内场效应器件：

MOSFET主要通

过改变衬底表层沟道的厚度來控制ii），称为表面场效应器件。

JFET的伏安持性（以N沟道JFET为例）：

伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。

但VGS必定

三、场效应管的主要参数

1•直流参数

开启电压VT：

増强型管的参数：

夹断电斥VP：

耗尽型管的参数：

饱和漏极电流IDSS：

指耗尽型管在VGS

=0时的漏极电流:

输入电阻RGS（DC）：

因iG=0,所以输入电阻很大。

JFET大于107Q・MOS管大于1012

Q。

2

•交流参数

点有关，是转移特性曲线I：

过Q点切线的斜率ogm的单位是mS佼流输出电阻rds：

心•

rds反映J'漏源电压对漏极电流的影响程度，在恒流区内，是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。

其

值一般为若几十

3•极限参数

最大漏•源电斥V（BR）DS：

漏极附近发生雪崩击穿时的VDS：

最大栅•源电压V（BR）GS:

栅极与源极间PN结

的反向击穿电压：

最大耗散功率PDW同三极管的PCM相似，、“|超过PDM时.管子可能烧坏。

场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数

场效应管是只有一种载流子参与导电.用输入电压控制输出电流的半导体器件C有N沟道器件和P沟道器

件。

有结型场效应三极管JFET（JunctionFieldEffectTransister）和绝缘栅型场效应三极管IGFET（I

nsulatedGateFieldEffectTransister）之分。

IGFET也称金屈■氧化物-半导体三极管MOSFET（M

etalOxideSemIConductorFET）□

MOS场效应管有増强空（EnhancementMO

S或EMOS）和耗尽型（Depletion）MOS或DMOS）两大类.每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。

场效应管有三个电极：

D（Drain）称为漏极•相、耳双极型三极管的集电极：

G（Gate）称为栅极，相为干双极型三极管的基极：

S（Source）称为源极，相十于双极型三极管的发射极。

增强型MOS（EMOS）场效应管道増强空MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构.它是在P型半导

体上生成一层SI02薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个岛•掺朵的N型区，从N型区引出电极.一个是

漏极D.—个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极GoP型半导体称为衬底（S

ubstrat）,用符号B表示。

一.工作原理

1.沟道形成原理TVgs=0V时，漏源之间相十两个背靠背的二极管.在D、S之间加上电压.不会在D、

S间形成电流。

X柵极加有电压时.若OvVgs

将靠近柵极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。

耗尽层中的少子将向

表层运动.但数址有限，不足以形成沟道.所以仍然不足以形成漏极电流