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線性電子電路教案
第三章 場(chǎng)效應(yīng)管
知識(shí)要點(diǎn)：
場(chǎng)效應(yīng)管原理、場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型及其參數(shù)
場(chǎng)效應(yīng)管是只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。 1.1
1.1.1
MOS場(chǎng)效應(yīng)管
MOS場(chǎng)效應(yīng)管有增強(qiáng)型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS）兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類型。場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)電極：
D(Drain) 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；
G(Gate) 稱為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極；
S(Source) 稱為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。
增強(qiáng)型MOS(EMOS)場(chǎng)效應(yīng)管
根據(jù)圖3-1，N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。
圖3-1 N 溝道增強(qiáng)型EMOS管結(jié)構(gòu)示意
一、工作原理
1．溝道形成原理
當(dāng)VGS=0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。
當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。
進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th) 稱為開啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝
1
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道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層（inversion layer）。隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。
轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)。
跨導(dǎo)的定義式如下： constDS==VGSDVIgmΔΔ (單位mS)
2． VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的控制
當(dāng)VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖3-2所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系
VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS
VGD=VGS—VDS
當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGD＞VGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。
當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。當(dāng)VDS增加到VGD（a） （b） （c）
圖3-2 漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響
當(dāng)VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，VDS對(duì)ID的影響，即iD=f(vDS)?VGS=const這一關(guān)系曲線如圖3-3所示。
VGS一定
IDD
VDS
圖3-3 VGS一定，ID隨VDS變化的特性
VGS-VGS(th)
2
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二、伏安特性
輸出特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線
圖3-3 漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線
1． 非飽和區(qū)
非飽和區(qū)（Nonsaturation Region）是溝道未被預(yù)夾斷的工作區(qū)，又稱可變電阻區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS2．飽和區(qū)
飽和區(qū)(Saturation Region)又稱放大區(qū)，它是溝道預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達(dá)式： 2)th(GSGSoxnD)VV(l2WCI?=μ
在這個(gè)工作區(qū)內(nèi)，ID受VGS控制。考慮厄爾利效應(yīng)的ID表達(dá)式： )V1()VV(l2WC)VV1()VV(l2WCIDS2)th(GSGSoxnADS2)th(GSGSoxnDλμμ+?=??=
3．截止區(qū)和亞閾區(qū)
VGSID
VGS
3-5 亞閾區(qū)轉(zhuǎn)移特性
4．擊穿區(qū)
當(dāng)VDS 增大到足以使漏區(qū)與襯底間PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時(shí)，ID迅速增加，管子進(jìn)入擊穿區(qū)。
四、P溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管
在N型襯底中擴(kuò)散兩個(gè)P+區(qū)，分別做為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個(gè)P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構(gòu)成了P溝道EMOS管。 3
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1.1.2
耗盡型MOS（DMOS）場(chǎng)效應(yīng)管
N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖3-5所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線見圖所示。
(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線
圖3-5 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較 1.1.3
N溝道 EMOS DMOS； P溝道 EMOS DMOS。
VGSVDS>VGS-VGS(th)
VGS>VGS(th)
VDS非飽和區(qū)
]VV)VV(2[l2WCIDS2DS)th(GSGSoxnD??=μ
VGSVDS≤VGS-VGS(th)
VGS>VGS(th)
VDS≥VGS-VGS(th)
飽和區(qū)
)V1(]VV[l2WCIDS2)th(GSGSoxnDλμ+?= 4
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四種MOS管比較 1.1.4
小信號(hào)電路模型
vGS=vGSQ+vgs , vDS=vDSQ+vds, iD=IDQ+id
飽和區(qū)： dsQDSDgsQGSDDQDSGSDvvivviI)v,v(fi??+??+==
igs
gmvgs
-
-
D
+
vds
rds
S
+
vgs
G
gm:Transconductance
1/gds: output resistance
rds: 1/gds
dsdsgsmDQDdvgvgIii+≈?= )V1(Il2WC2)V1)(VV(lWCvigDSQDQoxDSQ)th(GSGSQoxQGSDmλμλμ+=+?=??= WC2lIVVoxDGS(th)GSμ=? DQdsDQoxmIg,,,Il2WCgλμ=≈ 5
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G
D
+
+
-
-
μvgs
rds
vds
vgs
igs
μ=gmrd
S
mQusDgvigmuη=??= 襯底跨導(dǎo)
gmvgs rds
vds
-
+
vgs
+
gmuvus
-
高頻小信號(hào)電路模型
Cgd
Csu
Cgd
Cds
g
Cgu
d
s
Cgs
Cgd
Cgs
g
d
Cds
s
1.1.5
分析方法
6
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1.2
1.2.1
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管
工作原理
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管相似，工作機(jī)理也相同。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。
圖3-2-1 N溝道JFET工藝結(jié)構(gòu)示意圖
圖3-2-2 N溝道及P溝道JEFET結(jié)構(gòu)示意圖 DSG N P+P+ 7
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DSGPN+N+ D S G P+ P+ D S GP+ P+
-
-
+
+
圖3-2-3 N溝道JFET當(dāng)VDS=0時(shí)， VGS對(duì)溝道寬度的影響
當(dāng)PN結(jié) 反向偏置時(shí)，阻擋層寬度增大，主要向低摻雜N區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)VDS=0時(shí)，VGS越負(fù)，響應(yīng)的阻擋層越寬，溝道就窄，溝道的導(dǎo)電能力就越差，直到VGS=VGS(off)時(shí)，兩側(cè)阻擋層相遇，溝道消失。
D S G P+P+ G DSG P+P+G
由于ID通過長(zhǎng)條溝道產(chǎn)生漏極到源極方向的電壓降，因此在溝道的不同位置上，加在PN結(jié)上的反向偏置電壓就不同，在源極端，PN結(jié)上的反偏電壓最小。在漏極端，PN結(jié)上的反偏電壓最高，響應(yīng)的阻擋層最寬，溝道也最窄。當(dāng)VGS=VGS（off）時(shí)，近漏極端的溝道被夾斷。 1.2.2
伏安特性曲線
根據(jù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對(duì)于N
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溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線基本相同，只不過絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線如下圖所示。
(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線
1． 非飽和區(qū)
VGS>VGS(off)、VDS2． 飽和區(qū)
VGS>VGS(off)、VDS>VGS-VGS(off) 限定 2)off(GSGSDSSD)VV1(II?=
3． 截止區(qū)
VGS4． 擊穿區(qū)
當(dāng)VDS增大到一定值V(BR)DS時(shí)，漏極端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿而使ID急劇增加區(qū)域。?9