场效应管工作原理与应用.ppt

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1、13.2结型场效应管3.3场效管应用原理3.1MOS场效应管第3章　场效应管2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33.1MOS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

2、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。4N+N+P+P+PUSGD3.1.1增强型MOS场效应管N沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度5N沟道EMOS管外部工作条件VDS>0(保证漏衬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)PP+N+N+SGDUVDS-+-+VGSN沟道EMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。6N沟

3、道EMOSFET沟道形成原理假设VDS=0，讨论VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层n>>pVGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。反型层7VDS对沟道的控制(假设VGS>VGS(th)且保持不变)VDS很小时→VGDVGS。此时W近似不变，即Ron不变。由图VGD=VGS-VDS因此VDS→ID线性。若VDS→则VGD→近漏端沟道→Ron增大。此时Ron→ID变慢。PP

4、+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+8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：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS→ID基本维持不变。9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

5、分析可描绘出ID随VDS变化的关系曲线：IDVDSOVGS–VGS(th)VGS一定曲线形状类似三极管输出特性。10MOS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：11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：ID=f(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数输出特性：伏安特性+TVDSI

6、G0VGSID+--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。12NEMOS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：VGS>VGS(th)VDS

7、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。14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：VGS>VGS(th)VDS>VGS–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：

8、饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。15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-116截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–VGS(th)V