电子线性电路第3章场效应管

第三章场效应管概述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它比BJT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：后述。•场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管Ri不高，在许多场合不能满足要求。•场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FET靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。三极管是两种载流子导电。FET优点：输入电阻大（Ri107Ω～1012Ω）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。•场效应管：压控电流源器件（ID=gmVGS）。•三极管：流控电流源器件（IC=IB）。FET利用输入回路的电压（电场效应）来控制输出回路电流的器件，故此命名。概述3.1MOS场效应管P沟道（P-EMOS）N沟道（N-EMOS）P沟道（P-DMOS）N沟道（N-DMOS）MOSFET增强型（E）耗尽型（D）N-MOS管与P-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。JFET结型N沟道P沟道N-JFETP-JFET分类：金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）N+N+P+P+PBSGD3.1.1N沟道增强型MOS场效应管N-EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGBD电路符号l沟道长度W沟道宽度MOS管外部工作条件:两个PN结反偏。N-EMOS管为：•VDS0(保证栅漏PN结反偏)。•B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)。1、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(M-O-S)。2、栅极有SiO2绝缘层，或简称I-G-FET场效应管。3.1.1N沟道增强型（EMOS）管说明①MOS管衬底一般与源极相连使用；②栅极和衬底间形成电容。一.工作原理1、沟道形成原理。(1)设VDS=0，当VGS=0时，iD=0。图(a)3.1绝缘栅型场效应管（MOS管）栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。(2)当VGS0时，VGS对沟道导电能力的控制作用。图(b)若VGS0（正栅源电压）耗尽层，如图(b)所示。(3)开启电压VGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。VGS反型层加厚沟道电阻变小。当VGS耗尽层加宽反型层N型导电沟道，如图(C)所示。反型层VGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。2、当VGSVGS(th)且一定时，VDS对沟道导电能力iD的影响。VDSVGD沟道变窄DSGSGDVVV若VGD=VGS(th)预夹断VDS（假设VGSVGS(th)且保持不变）VDS夹断区加长，沟道变短预夹断前：d—s间呈电阻特性预夹断后：VGDVGS(th)iD略有增加常数GSDSDVViVDS→ID基本维持不变。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：3、若考虑沟道长度调制效应则VDS→沟道长度L略→→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：IDVDS0VGS–VGS(th)VGS一定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（BJT）。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）导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：二氧化硅gsdiD＝0铝耗尽层N＋N＋PB衬底引线VGGsdiD＝0耗尽层PB衬底引线N＋N＋N型(感生)沟道ggsdiD迅速增大N型(感生)沟道PB衬底引线VGGVDDN＋N＋gsdiD饱和PB衬底引线VGGVDDN＋N＋夹断区总图：N—EMOSFET工作原理工作原理总结通过上面讨论可以看到(ENMOS)：VGS(th)是沟道刚形成时所需的VGS，与N+和衬底的搀杂浓度,Gate下SiO2的厚度，温度等因素有关；VGS控制MOS管的导电沟道深度，VGS越大，沟道越深，导电能力越强，VGS对沟道电流的控制是MOS管的主要受控作用，也是实现放大器的基础；VGS一定，满足VGSVGS(th),在VDSVGSVGS(th)时,随着VDS的增加，由于沟道没有夹断，沟道电阻变化不大，沟道电流呈线性增加，当VDSVGSVGS(th)时，夹断点到Ｓ的电压不变，沟道长度和形状几乎不变，沟道电流也几乎不变，但考虑沟道长度调制效应，则电流会有略微的上升；NMOS管是依靠多子电子一种载流子导电的，而晶体三极管中有多子和少子两种载流子参与导电；MOS管是对称器件,源漏极可以互换。3.1.3EMOS场效应特性一、伏安特性常数DS|)(GS1SDvvfi转移特性曲线常数GS|)(DS2SDvvfi输出特性曲线非饱和区：vGSVGS(th)0vDSvGS－VGS(th)饱和区：vGSVGS(th)vDSvGS－VGS(th)截止区：iD=0击穿区：vDS过大引起雪崩击穿和穿通击穿，vGS过大引发栅极击穿+TVDSIG0VGSID+--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，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V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。条件：VGSVGS(th)VDSVGS–VGS(th)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：])(2[22DSDSGS(th)GSOXnDVVVVlWCIGS(th)GSOXnon1VVWClR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。DSGS(th)GSOXn)(VVVlWC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。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGSVGS(th)VDSVGS–VGS(th)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。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：2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中，称沟道长度调制系数，其值与l有关。通常=(0.005~0.03)V-1SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-看成压控电流源例在下图所示N沟道EMOS管电路中，已知RG1＝1.2M，RG2＝0.8M，RS＝4k，RD＝10k，VDD＝20V，管子参数为CoxW/(2l)＝0.25mA/V2，VGS(th)＝2V，试求ID。解(V)88.02.18.020G2G1G2DDGRRRVV0GI4DSDSIRIV2D2GS(th)GSoxnD)248(25.0)(2IVVlWCI设MOS管工作在饱和区16523602IIDDmA1mA25.2D2D1II0,V9GSSVVV6V,4DSGSVV，舍去mA1DI截止区特点：相当于MOS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条件：VGSVGS(th)ID=0以下的工作区域。IG0，ID0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。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：TD2D1D1D2一方面限制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)=3VVDS=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。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。亚阈区：vGSVGS(th)时，iD不会突变到零，但其值很小(A量级)。通常将VGS(th)附近的很小区域(VGS(th)100mV)称为亚阈区或弱反型层区。一般应避免工作在此区域衬底效应某些MOS管的源极不能处在电路的最低电位上，则其源极与衬底不能相连，其间就会作用着负值的电压vBS，P型硅衬底中的空间电荷区将向衬底底部扩展，VGS(th)相应增大。因而，在vGS一定时，iD就减小。可见，vBS和vGS一样，也具有对iD的控制作用，故又称衬底电极为背栅极，不过它的控制作用远比vGS小。P沟道EMOS管+-VGSVDS+-SGBDNN+P+SGDUP+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。ID3.1.4耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOSDMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)VGS=1V1.5V1V0.5V0V0.5V1.8VID/mAVGS/VOVGS(th)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。一、直流大信号简化电路模型(与三极管相对照)场效应管G、S之间开路，IG0。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。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-场效应管等效电路二、小信号模型1．饱和区小信号模型,,GSGSQgsDSDSQdsDDQdvVvvVviIi设直流量上叠加交流小信号：(,)(DGSDGSDSDQgsDQDSDSQifvvIvviviv泰勒级数展开）dgsdmdssggivv2()()(1)2noxDGSGSthDSCWivVvl2(1)2(11)22noxnoxmDQDSQDQDSQCWCWgIVIVll11DQDQdsDQdsDQAIIgIrIV1dmgsdsdsmgsdsdsigvgvgvvr22noxmDQCWgIlAdsDQVrI受控电流源用戴维宁定理将电流源转换为电压源：mgsdsgsmdsgvrvgr放大因子ds+vgs-gmvgsidgrdsds+vgs-μvgsidgrds+vds-考虑衬底效应：mQbsDmbgvigds+vgs-gmvgsidgrds衬底效应ds+vgs-gmv