發表與 2006-2-6 9:12:17

線性電子電路教案
第三章 場效應管
知識要點：
場效應管原理、場效應管的小信號模型及其參數
場效應管是只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結型場效應三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。 1.1
1.1.1
MOS場效應管
MOS場效應管有增強型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS）兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導電類型。場效應管有三個電極：
D(Drain) 稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極；
G(Gate) 稱為柵極，相當于雙極型三極管的基極；
S(Source) 稱為源極，相當于雙極型三極管的發射極。
增強型MOS(EMOS)場效應管
根據圖3-1，N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極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型半導體稱為襯底，用符號B表示。
圖3-1 N 溝道增強型EMOS管結構示意
一、工作原理
1．溝道形成原理
當VGS=0 V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。
當柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。
進一步增加VGS，當VGS＞VGS(th)時（ VGS(th) 稱為開啟電壓），由于此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導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電溝
1
線性電子電路教案
道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層（inversion layer）。隨著VGS的繼續增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當VGS＞VGS(th)后才會出現漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。
轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。
跨導的定義式如下： constDS==VGSDVIgmΔΔ (單位mS)
2． VDS對溝道導電能力的控制
當VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖3-2所示。根據此圖可以有如下關系
VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS
VGD=VGS—VDS
當VDS為0或較小時，相當VGD＞VGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。
當VDS增加到使VGD=VGS(th)時，相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷，此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD（a） （b） （c）
圖3-2 漏源電壓VDS對溝道的影響
當VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)?VGS=const這一關系曲線如圖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
線性電子電路教案
二、伏安特性
輸出特性曲線 轉移特性曲線
圖3-3 漏極輸出特性曲線和轉移特性曲線
1． 非飽和區
非飽和區（Nonsaturation Region）是溝道未被預夾斷的工作區，又稱可變電阻區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS2．飽和區
飽和區(Saturation Region)又稱放大區，它是溝道預夾斷后所對應的工作區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達式： 2)th(GSGSoxnD)VV(l2WCI?=μ
在這個工作區內，ID受VGS控制。考慮厄爾利效應的ID表達式： )V1()VV(l2WC)VV1()VV(l2WCIDS2)th(GSGSoxnADS2)th(GSGSoxnDλμμ+?=??=
3．截止區和亞閾區
VGSID
VGS
3-5 亞閾區轉移特性
4．擊穿區
當VDS 增大到足以使漏區與襯底間PN結引發雪崩擊穿時，ID迅速增加，管子進入擊穿區。
四、P溝道EMOS場效應管
在N型襯底中擴散兩個P+區，分別做為漏區和源區，并在兩個P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構成了P溝道EMOS管。 3
線性電子電路教案
1.1.2
耗盡型MOS（DMOS）場效應管
N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖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VGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS＞0時，將使ID進一步增加。VGS＜0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線見圖所示。
(a) 結構示意圖 (b) 轉移特性曲線
圖3-5 N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線
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場效應管比較 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
]VV)VV(2[l2WCIDS2DS)th(GSGSoxnD??=μ
VGSVDS≤VGS-VGS(th)
VGS>VGS(th)
VDS≥VGS-VGS(th)
飽和區
)V1(]VV[l2WCIDS2)th(GSGSoxnDλμ+?= 4
線性電子電路教案
四種MOS管比較 1.1.4
小信號電路模型
vGS=vGSQ+vgs , vDS=vDSQ+vds, iD=IDQ+id
飽和區： 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
線性電子電路教案
G
D
+
+
-
-
μvgs
rds
vds
vgs
igs
μ=gmrd
S
mQusDgvigmuη=??= 襯底跨導
gmvgs rds
vds
-
+
vgs
+
gmuvus
-
高頻小信號電路模型
Cgd
Csu
Cgd
Cds
g
Cgu
d
s
Cgs
Cgd
Cgs
g
d
Cds
s
1.1.5
分析方法
6
線性電子電路教案
1.2
1.2.1
結型場效應管
工作原理
結型場效應三極管的結構與絕緣柵場效應三極管相似，工作機理也相同。結型場效應三極管的結構如圖所示，它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。兩個P區即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。
圖3-2-1 N溝道JFET工藝結構示意圖
圖3-2-2 N溝道及P溝道JEFET結構示意圖 DSG N P+P+ 7
線性電子電路教案
DSGPN+N+ D S G P+ P+ D S GP+ P+
-
-
+
+
圖3-2-3 N溝道JFET當VDS=0時， VGS對溝道寬度的影響
當PN結 反向偏置時，阻擋層寬度增大，主要向低摻雜N區擴展。當VDS=0時，VGS越負，響應的阻擋層越寬，溝道就窄，溝道的導電能力就越差，直到VGS=VGS(off)時，兩側阻擋層相遇，溝道消失。
D S G P+P+ G DSG P+P+G
由于ID通過長條溝道產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結上的反向偏置電壓就不同，在源極端，PN結上的反偏電壓最小。在漏極端，PN結上的反偏電壓最高，響應的阻擋層最寬，溝道也最窄。當VGS=VGS（off）時，近漏極端的溝道被夾斷。 1.2.2
伏安特性曲線
根據結型場效應三極管的結構，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N
8
線性電子電路教案
溝道結型場效應三極管只能工作在負柵壓區，P溝道的只能工作在正柵壓區，否則將會出現柵流。
結型場效應三極管的特性曲線有兩條，一是轉移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場效應三極管的特性曲線基本相同，只不過絕緣柵場效應管的柵壓可正、可負，而結型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。N溝道結型場效應三極管的特性曲線如下圖所示。
(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉移特性曲線
1． 非飽和區
VGS>VGS(off)、VDS2． 飽和區
VGS>VGS(off)、VDS>VGS-VGS(off) 限定 2)off(GSGSDSSD)VV1(II?=
3． 截止區
VGS4． 擊穿區
當VDS增大到一定值V(BR)DS時，漏極端PN結發生雪崩擊穿而使ID急劇增加區域。?9