模电第三章ppt讲解综述
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：
? 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(三极管是双极型器件)。
场效应管分类：
MOS 场效应管 结型场效应管
3.1 MOS 场效应管
P 沟道(PMOS ) N 沟道(NMOS ) P 沟道(PMOS )
N 沟道(NMOS ) MOSFET
增强型(EMOS )
耗尽型(DMOS )
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。
N + N + P
+ P
+ P
U
S
G
D 3.1.1 增强型 MOS 场效应管
N 沟道 EMOSFET 结构示意图
源极
漏极
衬底极
SiO 2 绝缘层 金属栅极
P 型硅 衬底
S
G
U
D 电路符号
l
沟道长度 W
沟道
宽度
N 沟道 EMOS 管外部工作条件
? V DS > 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)。
? V GS > 0 (形成导电沟道)
P
P
+ N
+ N
+ S
G D
U V DS
- +
- + V GS
? N 沟道 EMOS 管工作原理 栅-衬之间相当于
以 SiO 2 为介质的平板电容器。
N 沟道 EMOSFET 沟道形成原理
? 假设 V DS = 0，讨论 V GS 作用
P
P
+ N
+ N
+ S
G D
U V DS = 0
- + V GS 形成空间电荷区 并与 PN 结相通 V GS ↑ 衬底表面层中 负离子↑、电子↑ V GS ≥ 开启电压V GS(th)
形成 N 型导电沟道
表面层 n >>p
V GS 越大，反型层中 n 越多，导电能力越强。
反型层
? V DS 对沟道的控制(假设 V GS > V GS(th) 且保持不变)
? V DS 很小时 → V GD ≈ V GS 。此时 W 近似不变，即 R on 不变。 由图 V GD = V GS - V DS
因此 V DS ↑→I D 线性 ↑。
? 若 V DS ↑→则 V GD ↓ → 近漏端沟道W ↓ → R on 增大。 此时 R on ↑→I D ↑变慢。
P
P
+ N + N
+ S
G D U V DS
- +
V GS
- +
P
P
+ N
+ N
+ S
G D U V DS
- +
V GS
- +
? 当 V DS 增加到使 V GD ↓ = V GS(th) 时 → A 点出现预夹断
? 若 V DS 继续 ↑→A 点左移 → 出现夹断区
此时 V AS = V AG + V GS = -V GS(th) + V GS (恒定) 若忽略沟道长度调制效应，则近似认为 l 不变(即 R on 不变)。
因此预夹断后： P
P
+ N
+ N
+ S G D U
V DS - + V GS - + A P
P
+ N
+ N
+ S G D U
V DS - +
V GS
- + A
V DS ↑ →I D 基本维持不变。
若考虑沟道长度调制效应
则 V DS ↑ →沟道长度 l ↓ →沟道电阻 R on 略 ↓。 因此 V DS ↑ →I D 略 ↑。
由上述分析可描绘出 I D 随 V DS 变化的关系曲线：
I D
V DS
O V
GS –V GS(th)
V GS 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。
利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压 V GS 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 I D 。
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： I D = f ( V GS )
V DS = 常数
转移特性：
I D = f ( V DS )
V GS = 常数 输出特性： 伏安特性
+ T V DS I G 0
V GS I D
+
-
-
转移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：
I D 同时受 V GS 与 V DS 的控制。
当 V GS 为常数时，V DS ↑→I D 近似线性↑，表现为一种电阻特性； 当 V DS 为常数时，V GS ↑→I D ↑，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：
V GS > V GS(th)
V DS < V GS – V GS(th)
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
I D /mA
V DS /V
O
V DS = V GS – V GS(th)
V GS = 5 V 3.5 V
4 V 4.
5 V
数学模型：
此时 MOS 管可看成阻值受 V GS 控制的线性电阻器：
V DS 很小 MOS 管工作在非饱和区时，I D 与 V DS 之间呈线
性关系：
]
)(2[22
DS DS GS(th)GS OX n D V V V V l W
C I --=
μ???
? ??-=
GS(th)GS OX n on 1V V W
C l
R μ其中，W 、l 为沟道的宽度和长度。
C OX (= ε / τOX , SiO 2 层介电常数与厚度有关)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。
DS
GS(th)GS OX n )(V V V l
W C -≈μ
饱和区特点：
I D 只受V
GS
控制，而与V
DS
近似无关，表现出类似
三极管的正向受控作用。I D/mA
V DS /V O
V DS = V GS –V GS(th)
V GS = 5 V
3.5 V
4 V
4.5 V
沟道预夹断后对应的工作区。
条件：V
GS
> V
GS(th)
V
DS
> V
GS
–V
GS(th)
考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随V
DS 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 I D 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：
2
GS(th)GS OX n D )
(2V V l
W C I -=μ???
?
?
?
--=
A DS
2GS(th)GS OX n D 1)(2V V V V l W
C I μ()
DS 2GS(th)GS OX n 1)(2V V V l
W C λμ+-=其中，λ 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。
通常 λ = (0.005 ~ 0.03 )V -1
? 截止区
特点： 相当于 MOS 管三个电极断开。
I D /mA
V DS /V
O
V DS = V GS – V GS(th)
V GS = 5 V 3.5 V
4 V 4.
5 V 沟道未形成时的工作区 条件： V GS < V GS(th) I D = 0 以下的工作区域。 I G ≈ 0，I D ≈ 0 ? 击穿区
? V DS 增大到一定值时→漏衬 PN 结雪崩击穿 → I D 剧增。 ? V DS ↑→ 沟道 l ↓ → 对于 l 较小的 MOS 管 → 穿通击穿。
由于 MOS 管 C OX 很小，因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在 SiO 2 绝缘层中将产生很大的电压 V GS (= Q /C OX )，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：
T
D 2
D 1
D 1、D 2 一方面限制 V GS 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
V GS(th) = 3V
V DS = 5 V
转移特性曲线反映 V DS 为常数时，V GS 对 I D 的控制作用，可由输出特性转换得到。
I D /mA
V DS /V
O
V DS = V GS – V GS(th)
V GS = 5 V 3.5 V
4 V 4.
5 V V DS = 5 V
I D /mA
V GS
/V
O 1
2 3 4 5 转移特性曲线中，I D = 0 时对应的 V GS 值，即开启电压 V GS(th) 。
衬底效应
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| V US | ↑ → - + V US 耗尽层中负离子数↑
因 V GS 不变(G 极正电荷量不变)→ I D ↓ V US = 0
I D /mA
V GS /V
O
-2V
-4V
根据衬底电压对 I D 的控制作用，又称 U 极为背栅极。
P
P
+ N
+ N
+ S G
D U
V DS
V GS
- +
- +
阻挡层宽度↑ → 表面层中电子数↓ →
P 沟道 EMOS 管
+ - V GS
V DS + -
N
N
+ P
+ S
G
D U P
+ N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似。 即 V DS < 0 、V GS < 0
外加电压极性相反、电流 I D 流向相反。
不同之处：
电路符号中的箭头方向相反。 S
G
U
D I D