MOS管

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发表与 2006-2-6 9:12:17

线性电子电路教案第三章 场效应管知识要点：场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。有N沟道器件和P沟道器件。有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。 1.11.1.1MOS场效应管MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发色环电感生产厂射极。增强型MOS(EMOS)场效应管根据图3-1，N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。图3-1 N 沟道增强型EMOS管结构示意一、工作原理1．沟道形成原理当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th) 称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和http://www.dadianliu.cn/功率电感源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟1线性电子电路教案道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。转移特性曲线的斜率gm的大小反映了一体成型电感栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下： constDS==VGSDVIgmΔΔ (单位mS)2． VDS对沟道导电能力的控制当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不电感器厂家同变化对沟道的影响如图3-2所示。根据此图可以有如下关系VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGSVGD=VGS—VDS当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGD<VGS(th)时，预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。（a） （b） （c）图3-2 漏源电压VDS对沟道的影响当VGS电感器生产＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)VGS=const这一关系曲线如图3-3所示。VGS一定IDDVDS图3-3 VGS一定，ID随VDS变化的特性VGS-VGS(th)2线性电子电路教案二、伏安特性输出特性曲线 转移特性曲线图3-3 漏极输出特性曲线和转移特性曲线1． 非饱和区非饱和区（Nonsaturation Region）是沟道未被预夹断的工作区，又称可变电阻区。由不等式VGS>VGS(th)、VDS<VGS-VGS(th)限定。理论证明，ID与VGS和VDS的关系如下： ]VV)VV(2[l2WCIDS2DS)th(GSGSoxnD−−=μ2．饱和区饱和区(Saturation Region)又称放大区，它是沟道预夹断后所对应的工作区。由不等式VGS>VGS一体成型电感(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏极电流表达式： 2)th(GSGSoxnD)VV(l2WCI−=μ在这个工作区内，ID受VGS控制。考虑厄尔利效应的ID表达式： )V1()VV(l2WC)VV1()VV(l2WCIDS2)th(GSGSoxnADS2)th(GSGSoxnDλμμ+−=−−=3．截止区和亚阈区VGS<VGS(th)，沟道未形成，ID=0。在VGS(th)附近很小的区域叫亚阈区（Subthreshold Region）在这个区域内，ID与VGS的关系为指数关系。IDVGS3-5 亚阈区转移特性4．击穿区当VDS 增大到足以使漏区与衬底间PN结引发雪崩击穿时，ID迅速增加，管子进入击穿区。四、P沟道EMOS场效应管在N型衬底中扩散两个P+区，分别做为漏区和源区，并在两个P+之间的SiO2绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了P沟道EMOS管。 3线性电子电路教案1.1.2耗尽型MOS（DMOS）场效应管N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3-5所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线见图所示。(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线图3-5 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。四种MOS场效应管比较 1.1.3N沟道 EMOS DMOS； P沟道 EMOS DMOS。VGS<VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)非饱和区]VV)VV(2[l2WCIDS2DS)th(GSGSoxnD−−=μVGS<VGS(th)VDS≤VGS-VGS(th)VGS>VGS(th)VDS≥VGS-VGS(th)饱和区)V1(]VV[l2WCIDS2)th(GSGSoxnDλμ+−= 4线性电子电路教案四种MOS管比较 1.1.4小信号电路模型vGS=vGSQ+vgs , vDS=vDSQ+vds, iD=IDQ+id饱和区： dsQDSDgsQGSDDQDSGSDvvivviI)v,v(fi∂∂+∂∂+==igsgmvgs--D+vdsrdsS+vgsGgm:Transconductance1/gds: output resistancerds: 1/gdsdsdsgsmDQDdvgvgIii+≈−= )V1(Il2WC2)V1)(VV(lWCvigDSQDQoxDSQ)th(GSGSQoxQGSDmλμλμ+=+−=∂∂= WC2lIVVoxDGS(th)GSμ=− DQdsDQoxmIg,,,Il2WCgλμ=≈ 5线性电子电路教案GD++--μvgsrdsvdsvgsigsμ=gmrdSmQusDgvigmuη=∂∂= 衬底跨导gmvgs rdsvds-+vgs+gmuvus-高频小信号电路模型CgdCsuCgdCdsgCgudsCgsCgdCgsgdCdss1.1.5分析方法6线性电子电路教案1.21.2.1结型场效应管工作原理结型场效应三极管的结构与绝缘栅场效应三极管相似，工作机理也相同。结型场效应三极管的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。图3-2-1 N沟道JFET工艺结构示意图图3-2-2 N沟道及P沟道JEFET结构示意图 DSG N P+P+ 7线性电子电路教案DSGPN+N+ D S G P+ P+ D S GP+ P+--++图3-2-3 N沟道JFET当VDS=0时， VGS对沟道宽度的影响当PN结 反向偏置时，阻挡