场效应管工作原理与应用.ppt

1 13.2 结型场效应管结型场效应管3.3 场效管应用原理场效管应用原理3.1 MOS场效应管场效应管第第3章场效应管章场效应管2 2概概 述述场场效效应应管管是是另另一一种种具具有有正正向向受受控控作作用用的的半半导导体体器器件件。它它体体积积小小、工工艺艺简简单单，器器件件特特性性便便于于控控制制，是是目目前前制制造造大规模集成电路的主要有源器件。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。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管是单极型器件场效应管是单极型器件(三极管是双极型器件三极管是双极型器件)。场效应管分类：场效应管分类：MOS场效应场效应管管结型场效应管结型场效应管3 33.1MOS场效应管场效应管P沟道沟道(PMOS)N沟道沟道(NMOS)P沟道沟道(PMOS)N沟道沟道(NMOS)MOSFET增强型增强型(EMOS)耗尽型耗尽型(DMOS)N沟沟道道MOS管管与与P沟沟道道MOS管管工工作作原原理理相相似似，不不同同之之处处仅仅在在于于它它们们形形成成电电流流的的载载流流子子性性质质不不同同，因因此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。4 4N+N+P+P+PUSGD3.1.1增强型增强型MOS场效应管场效应管qN沟道沟道EMOSFET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型硅型硅衬底衬底SGUD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5 5 N沟道沟道EMOS管管外部工作条件外部工作条件 VDS0(保证漏衬保证漏衬PN结反偏结反偏)。U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)。VGS0(形成导电沟道形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+-+-+VGSq N沟道沟道EMOS管管工作原理工作原理栅栅 衬衬之之间间相相当当于于以以SiO2为为介介质质的平板电容器。的平板电容器。6 6N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理假设假设VDS=0，讨论，讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与PN结相通结相通VGS 衬底表面层中衬底表面层中负离子负离子、电子、电子 VGS 开启电压开启电压VGS(th)形成形成N型导电沟道型导电沟道表面层表面层npVGS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。反型层反型层7 7 VDS对沟道的控制对沟道的控制(假设假设VGSVGS(th)且保持不变且保持不变)VDS很小时很小时VGD VGS。此时。此时W近似不变，即近似不变，即Ron不变。不变。由图由图VGD=VGS-VDS因此因此VDS ID线性线性。若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大。增大。此时此时 Ron ID 变慢。变慢。PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+8 8当当VDS增加到增加到使使VGD=VGS(th)时时 A点出现预夹断点出现预夹断若若VDS继续继续 A点左移点左移 出现夹断区出现夹断区此时此时VAS=VAG+VGS=-VGS(th)+VGS(恒定恒定)若忽略沟道长度调制效应，则近似认为若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变不变(即即Ron不变不变)。因此预夹断后：因此预夹断后：PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+APP+N+N+SGDUVDS-+-+VGS-+-+AVDS ID基本维持不变。基本维持不变。9 9若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应则则VDS 沟道长度沟道长度l 沟道电阻沟道电阻Ron略略。因此因此VDS ID略略。由上述分析可描绘出由上述分析可描绘出ID随随VDS变化的关系曲线：变化的关系曲线：IDVDSOVGSVGS(th)VGS一定一定曲线形状类似三极管输出特性。曲线形状类似三极管输出特性。1010MOS管管仅仅依依靠靠一一种种载载流流子子(多多子子)导导电电，故故称称单单极极型型器件。器件。三极管中多子、少子同时参与导电，故称三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件双极型器件。利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应，通通过过栅栅源源电电压压VGS的的变变化化，改改变变感感生生电电荷荷的的多多少少，从从而而改改变变感感生生沟沟道道的的宽窄，控制漏极电流宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：工作原理：1111由由于于MOS管管栅栅极极电电流流为为零零，故故不不讨讨论论输输入入特特性曲线。性曲线。共源组态特性曲线：共源组态特性曲线：ID=f(VGS)VDS=常数常数转移特性：转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数常数输出特性：输出特性：q 伏安特性伏安特性+TVDSIG 0VGSID+-转转移移特特性性与与输输出出特特性性反反映映场场效效应应管管同同一一物物理理过过程程，它们之间可以相互转换。它们之间可以相互转换。1212 NEMOS管输出特性曲线管输出特性曲线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=5V3.5V4V4.5V当当VDS为常数时，为常数时，VGSID，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：VGSVGS(th)VDSVGS(th)VDSVGSVGS(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。1515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=(0.0050.03)V-11616q 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=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGSVGS(th)ID=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG 0，ID 0q 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。1717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。各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：集成电路：TD2D1D1D2一一方方面面限限制制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。1818 NEMOS管转移特性曲线管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5V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=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345转转移移特特性性曲曲线线中中，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)。1919q 衬底效应衬底效应集集成成电电路路中中，许许多多MOS管管做做在在同同一一衬衬底底上上，为为保保证证U与与S、D之之间间PN结结反反偏偏，衬衬底底应应接接电电路路最最低低电电位位(N沟沟道道)或或最最高高电位电位(P沟道沟道)。若若|VUS|-+VUS耗尽层中负离子数耗尽层中负离子数 因因VGS不变不变(G极正电荷量不变极正电荷量不变)ID VUS=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对根据衬底电压对ID的控制作用，又称的控制作用，又称U极为极为背栅极。背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度阻挡层宽度 表面层中表面层中电子电子数数 2020q P沟道沟道EMOS管管+-+-VGSVDS+-+-SGUDNN+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VDS0、VGS0，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。23233.1.3四种四种MOS场效应管比较场效应管比较q 电路符号及电流流向电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSq 转移特性转移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(th)2424q 饱和区饱和区(放大区放大区)外加电压极性及数学模型外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型N沟道：沟道：VDS0，P沟道：沟道：VDS|VGS(th)|，|VDS|VGSVGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区饱和区(放大区放大区)工作条件工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区非饱和区(可变电阻区可变电阻区)数学模型数学模型2626qFET直流简化电路模型直流简化电路模型(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，满足平方律方程：电流源，满足平方律方程：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+-27273.1.4小信号电路模型小信号电路模型qMOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型(与三极管对照与三极管对照)gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-rds为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻：由于场效应管由于场效应管IG 0，所以输入电阻，所以输入电阻rgs。而三极管发射结正偏，而三极管发射结正偏，故输入电阻故输入电阻rb e较小。较小。与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式rce 1/(ICQ)相似。相似。rb ercebceibic+-+vbevcegmvb e2828MOS管跨导管跨导通常通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。2929q计及衬底效应的计及衬底效应的MOS管简化电路模型管简化电路模型考虑到衬底电压考虑到衬底电压vus对漏极电流对漏极电流id的控制作用，小信的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅跨导，称背栅跨导，工程上工程上 为常数，为常数，一般一般 =0.10.2。3030qMOS管高频小信号电路模型管高频小信号电路模型当当高高频频应应用用、需需计计及及管管子子极极间间电电容容影影响响时时，应应采采用用如下高频等效电路模型。如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs栅源极间栅源极间平板电容平板电容漏源极间电容漏源极间电容(漏衬与源漏衬与源衬之间的势垒电容衬之间的势垒电容)栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容3131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。3.1.5MOS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3232 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：VGSVGS(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)，VGSVGS(th)，假设成立。假设成立。3434q 小信号等效电路法小信号等效电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。35353.2结型场效应管结型场效应管qJFET结构示意图及电路符号结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD3636q N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS0(保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)VGSVGS(off)VDSVGS(off)VDSVGSVGS(off)在饱和区，在饱和区，JFET的的ID与与VGS之间也满足平方律关之间也满足平方律关系，但由于系，但由于JFET与与MOS管结构不同，故方程不同。管结构不同，故方程不同。4343q 截止区截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区沟道全夹断的工作区条件：条件：VGS0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。P沟道沟道FET：VDS vGSvGS(th)因此因此当当vGSvGS(th)时时N沟道沟道EMOS管管工作在饱和区。工作在饱和区。伏安特性：伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：直流电阻：(小小)交流电阻：交流电阻：(大大)Tvi+-+-vRi4949q N沟道沟道 DMOS管管 GS相连相连构成有源电阻构成有源电阻v=vDS，vGS=0，i=iD由图由图因此，当因此，当vDS 0vGS(th)时，管子工作在饱和区。时，管子工作在饱和区。伏安特性即伏安特性即vGS=0时的输出特性。时的输出特性。由由得知得知当当vGS=0时，电路近似恒流输出。时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0Tvi+-+-vRi5050q 有源电阻有源电阻 构成分压器构成分压器若两管若两管 n、COX、VGS(th)相同，则相同，则联立求解得：联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图由图I1=I2V1+V2=VDDV1+V2=VDD调整沟道宽长比调整沟道宽长比(W/l)，可得所需的分压值。可得所需的分压值。