模拟电子线路3.1MOS场效应管.ppt

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1、3.1 MOS场效应管,Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,VGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,VGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,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。,3.1.1 增强型MOS场效应管,N沟道EMOSFET结构示意图,源极 S(Source),漏极 D（Drain）,衬底

2、引线 U,栅极 G(Gate),N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,N沟道EMOS管外部工作条件,VDS 0(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)。,VGS 0(形成导电沟道),N沟道EMOS管工作原理,绝缘栅场效应管利用 VGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,工作原理分析：,(1)VGS=0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,N沟道EMOSFET沟道形成原理,假设VDS=0，讨论VGS作用,VGG,(2)VDS=0，0 VGS VGS(t

3、h),当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的 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，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。,(3)VDS=0，VGS VGS(th),进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（称为开启电压)，此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层

4、。,VGG,VGS 升高，N 沟道变宽。因为 VDS=0，所以 ID=0。,VGS(th)为开始形成反型层所需的VGS，称开启电压。,VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。,VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th)且保持不变）,VDS很小时 VGD VGS。此时沟道深度近似不变，即Ron不变。,由图 VGD=VGS-VDS,因此 VDSID线性。,若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,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

5、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：,VDS ID 基本维持不变。,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 VDS ID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。,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：,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

6、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。,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，VGS ID，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。,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）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。,饱和区,特点：,ID只受VGS控

7、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（又称放大区）对应三极管的放大区。,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=(0.005 0.03)V-1,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：,VGS VGS(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。,VD

8、S沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。,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。,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）。,衬底效

9、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,P沟道EMOS管,N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。,即 VDS 0、VGS 0,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。,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,DMOS管结构,NDMOS管伏安特性,VDS 0，VGS 正、负、零均可。,外部工作条件：,DMOS管在饱和区与

10、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。,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,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：VDS 0，P沟道：VDS 0,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,临界饱和工作条件,非饱和区（可变电阻区）工作条件,|VDS|=|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,|VDS|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)

11、|，,饱和区（放大区）工作条件,|VDS|VGS VGS(th)|,|VGS|VGS(th)|，,非饱和区（可变电阻区）数学模型,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。,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 相似。,MOS管跨导,利用,得,三极

12、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。,计及衬底效应的MOS管简化电路模型,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=0.1 0.2,MOS管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,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。,3.1.5 MOS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

13、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,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：,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,带入已知条件解上述方程组得：,VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V,因此,验证得知：,VDS VGSVGS(th)，,VGS VGS(th)，,假设成立。,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。,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：具体分析将在第四章中详细介绍。,