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概述 場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件 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 場效應管與三極管主要區(qū)別 場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻 場效應管是單極型器件 三極管是雙極型器件 場效應管分類 3 1MOS場效應管 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不同 因此導致加在各極上的電壓極性相反 增強型MOS場效應管 N溝道EMOSFET結構示意圖 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結反偏 vGS 0 形成導電溝道 N溝道EMOS管工作原理 N溝道EMOSFET溝道形成原理 假設vDS 0 討論vGS作用 vGS越大 反型層中n越多 導電能力越強 單位面積柵電容 溝道中導電載流子濃度 vDS對溝道的控制 假設vGS VGS th 且保持不變 vDS很小時 vGD vGS 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W Ron增大 此時Ron iD 變慢 當vDS增加到使vGD VGS th 時 A點出現(xiàn)預夾斷 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 若忽略溝道長度調制效應 則近似認為l不變 即Ron不變 因此預夾斷后 vDS iD基本維持不變 若考慮溝道長度調制效應 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 導電 故稱單極型器件 三極管中多子 少子同時參與導電 故稱雙極型器件 利用半導體表面的電場效應 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 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 轉移特性與輸出特性反映場效應管同一物理過程 它們之間可以相互轉換 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vGS為常數時 vDS iD近似線性 表現(xiàn)為一種電阻特性 當vDS為常數時 vGS iD 表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性 溝道預夾斷前對應的工作區(qū) 因此 非飽和區(qū)又稱為變阻區(qū) 數學模型 vDS很小MOS管工作在非飽和區(qū)時 iD與vDS之間呈線性關系 其中 W l為溝道的寬度和長度 注意 非飽和區(qū)相當于三極管的飽和區(qū) 飽和區(qū) 特點 iD只受vGS控制 而與vDS近似無關 表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用 溝道預夾斷后對應的工作區(qū) 考慮到溝道長度調制效應 輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹 注意 飽和區(qū) 放大區(qū) 對應三極管的放大區(qū) 數學模型 若考慮溝道長度調制效應 則ID的修正方程 工作在飽和區(qū)時 MOS管的正向受控作用 服從平方律關系式 其中 稱溝道長度調制系數 其值與l有關 iD隨溫度升高而下降的負溫度特性 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 相當于MOS管三個電極斷開 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結雪崩擊穿 iD劇增 vDS 溝道l 對于l較小的MOS管 穿通擊穿 由于MOS管COX很小 因此當帶電物體 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 D1 D2限制vGS間最大電壓 NEMOS管轉移特性曲線 VGS th 3V vDS 5V 轉移特性曲線反映vDS為常數時 vGS對iD的控制作用 可由輸出特性轉換得到 vDS 5V 轉移特性曲線中 iD 0時對應的vGS值 即開啟電壓VGS th 襯底效應 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結反偏 襯底應接電路最低電位 N溝道 或最高電位 P溝道 若 vBS 耗盡層中負離子數 因vGS不變 G極正電荷量不變 iD 根據襯底電壓對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 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 電路符號中的箭頭方向相反 耗盡型MOS場效應管 DMOS管結構 NDMOS管伏安特性 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 MOSFET大信號電路模型 場效應管G S之間開路 IG 0 三極管發(fā)射結由于正偏而導通 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小信號電路模型 MOS管飽和區(qū)小信號電路模型 rds為場效應管輸出電阻 由于場效應管iG 0 所以輸入電阻rgs 而三極管發(fā)射結正偏 故輸入電阻rb e較小 與三極管輸出電阻表達式rce 1 ICQ 相似 溝道長度調制系數 1 VA 三極管 飽和區(qū) MOS管跨導 通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數量級以上 即MOS管放大能力比三極管弱 計及襯底效應的電路模型 襯底與源極不相連 考慮到襯底電壓vBS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gmbvbs gmb稱背柵跨導 工程上 為常數 一般 0 1 0 2 MOS管高頻小信號電路模型 當高頻應用 需考慮管子極間電容影響 應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的低頻小信號模型等效為一個線性電阻 MOSFET高頻性能 四種MOS場效應管比較 電路符號及電流流向 轉移特性 飽和區(qū) 放大區(qū) 外加電壓極性及數學模型 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)數學模型與管子類型無關 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 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) 數學模型 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 需重新計算Q點 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)數學模型 MOS電路分析方法 例已知 nCOXW 2l 0 25mA V2 VGS th 2V 求ID 解 假設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 6V 因此 驗證得知 VDS VGS VGS th VGS VGS th 假設成立 小信號等效電路法 場效應管小信號等效電路分析法與三極管相似 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gm rds 注 具體分析將在第4章中詳細介紹 3 2結型場效應管 JFET結構示意圖及電路符號 N溝道JFET管外部工作條件 vDS 0 保證柵漏PN結反偏 vGS 0 保證柵源PN結反偏 實際小于VD on 即可 JFET管工作原理 vGS對溝道寬度的影響 若vDS 0 vDS很小時 vGD vGS 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vGS一定 此時W近似不變 即Ron不變 當vDS增加到使vGD VGS off 時 A點出現(xiàn)預夾斷 若vDS繼續(xù) A點下移 出現(xiàn)夾斷區(qū) 此時vAS vAG vGS VGS off vGS 恒定 若忽略溝道長度調制效應 則近似認為l不變 即Ron不變 因此預夾斷后 vDS iD基本維持不變 利用半導體內的電場效應 通過柵源電壓vGS的變化 改變阻擋層的寬窄 從而改變導電溝道的寬窄 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控制電流 不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同 若考慮溝道長度調制效應 則iD略有增大 NJFET輸出特性 非飽和區(qū) 特點 iD同時受vGS與vDS的控制 伏安特性曲線 線性電阻 IDSS是vGS 0 vDS VGS off 時的漏極電流 飽和區(qū) 放大區(qū) 特點 iD只受vGS控制 而與vDS近似無關 數學模型 在飽和區(qū) JFET的iD與vGS之間也滿足平方律關系 但由于JFET與MOS管結構不同 故方程不同 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結雪崩擊穿 造成iD劇增 vGS越負 則vGD越負 相應擊穿電壓V BR DS越小 JFET轉移特性曲線 同MOS管一樣 JFET的轉移特性也可由輸出特性轉換得到 iD 0時對應的vGS值 夾斷電壓VGS off vGS 0時對應的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)數學模型不同 因此跨導計算公式不同 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 場效應管與三極管性能比較 在相同功耗的情況下 雙極性器件可以獲得更優(yōu)越的頻率特性 N溝道EMOS管GD相連 構成有源電阻 有源電阻 3 4場效應管應用原理 N溝道EMOS管 工作在飽和區(qū) 伏安特性 N溝道DMOS管GS相連 構成有源電阻 因此 當vDS 0 vGS th 時 管子工作在飽和區(qū) 伏安特性即vGS 0時的輸出特性 當vGS 0時 電路近似恒流輸出 有源電阻 構成分壓器 若兩管 n COX VGS th 相同 則 聯(lián)立求解得 調整溝道寬長比 W l 可得所需的分壓值