结型场效应管.pptxVIP

第三章 场效应管3.1 MOS场效应管3.2 结型场效应管3.3 场效管应用原理MOS场效应管结型场效应管概 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。场效应管分类：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）。N沟道（NMOS） N沟道（NMOS） 增强型（EMOS） P沟道（PMOS） P沟道（PMOS） MOSFET耗尽型（DMOS） 3.1 MOS场效应管 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。 源极金属栅极漏极衬底极USGD沟道宽度电路符号DWU SiO2绝缘层GPlSP型硅 衬底++PP++NN沟道长度3.1.1 增强型MOS场效应管 N沟道EMOSFET结构示意图VDS- +VGS- + +++PNN栅?衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。SGDUP N沟道EMOS管工作原理 N沟道EMOS管外部工作条件 VDS 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)。 VGS 0 (形成导电沟道)VDS =0VGS?VGS反型层- +衬底表面层中负离子?、电子?+++形成空间电荷区并与PN结相通NNPSGDUVGS ? 开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层 npP N沟道EMOSFET沟道形成原理 假设VDS =0，讨论VGS作用VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。VDSVDS- +- +VGSVGS- +- +GDGDSSUUPP++++++NNNPNP VDS对沟道的控制（假设VGS VGS(th) 且保持不变）由图 VGD = VGS - VDS VDS很小时 → VGD ?VGS 。此时W近似不变，即Ron不变。因此VDS?→ID线性 ?。 若VDS ?→则VGD ? →近漏端沟道? → Ron增大。此时Ron ?→ID ?变慢。VDSVDS- +- +VGSVGS- +- +GDGDSSUUAAPP++++++PNNPNN 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：VDS ? →ID 基本维持不变。 IDVGS一定VDS0VGS –VGS(th) 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?。由上述分析可描绘出ID随VDS 变化的关系曲线：曲线形状类似三极管输出特性。MOSFET工作原理： 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。 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。ID+-IG?0TVDS+VGS-输出特性：ID= f ( VDS )VGS = 常数转移特性：ID= f ( VGS )VDS = 常数 伏安特性 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： 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。 ID/mAVDS = VGS –VGS(th)VGS =5VVGS VGS(th) 4.5V条件：V DS VGS–VGS(th)4V3.5V0VDS /V NEMOS管输出特性曲线 非饱和区沟道预夹断前对应的工作区。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； 当VDS为常数时，VGS ??ID ?，表现出一种压控电阻的特性。 因此，非饱和区又称为可变电阻区。 数学模型：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。此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。 ID/mAVDS = VGS –VGS(th)VGS =5VVGS VGS(th) 4.5V条件：V DS VGS–VGS(th)4V3.5V0VDS /V 饱和区沟道预夹断后对应的工作区。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。 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