5-模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路

5.1 金属 氧化物 半导体 金属-氧化物 氧化物-半导体 (MOS)场效应管 )5.1.1 N沟道增强型 沟道增强型MOSFET 沟道增强型 5.1.2 N沟道耗尽型 沟道耗尽型MOSFET 沟道耗尽型 5.1.3 P沟道 沟道MOSFET 沟道 5.1.4 沟道长度调制效应 5.1.5 MOSFET的主要参数 的主要参数

场效应管的分类： 场效应管的分类：增强型 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 JFET 结型

N沟道 沟道 P沟道 沟道

FET 场效应管

耗尽型 N沟道 沟道 P沟道 沟道

N沟道 沟道 P沟道 沟道

(耗尽型) 耗尽型)

耗尽型：场效应管没有加偏置电压时， 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时， 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道

5.1.1 N沟道增强型 沟道增强型MOSFET 沟道增强型1. 结构(N沟道) 沟道) 沟道 通常 W > LL :沟道长度 W :沟道宽度 tox :绝缘层厚度

动画2-3 (动画 )

5.1.1 N沟道增强型 沟道增强型MOSFET 沟道增强型 1. 结构(N沟道) 结构( 沟道 沟道)

剖面图

符号

二、 工作原理①栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的 PN 结隔离，因此，即使在D、S之间加上 电压, 在D、S间也不可能形成电流。

当 0<VGS<VT (开启电压)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层 的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸 向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一 薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不 能导通，处于截止状态。

当VGS>VT时，衬底中的电子进 一步被吸至栅极下方的P型衬底表层， 使衬底表层中的自由电子数量大于 空穴数量，该薄层转换为N型半导 体，称此为反型层。形成N源区到N 漏区的N型沟道。

V

DS

ID

把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若 在漏源间加电压 VDS,就能产生漏极电流 I D,即管子开启。 VGS 值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压 作用下， I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。

②漏源电压VDS对沟道导电能力的影响当VGS>VT且固定为某值的情况下，若给漏源间加 正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形 成漏极电流ID,当ID从D → S流过沟道时，沿途会产生压 降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布 不均匀。源极端电压最大，为VGS ,由此感生的沟道最深； 离开源极端，越向漏极端靠近，则栅—沟间的电压线性 — 下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端， 栅漏间电压最小，其值为： VGD=VGS-VDS , 由此感生的沟道也最浅。可见

,在VDS 作用下导电沟道的深度是不均匀的， 沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大， 直至VGD=VT,即VGS-VDS=VT或VDS=VGSVT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断。

A

当VDS为0或 较小时，VGD> VT,此时VDS 基 本均匀降落在沟 道中，沟道呈斜 线分布。

当VDS增加到使 VGD=VT时，漏极处沟道 将缩减到刚刚开启的情 况，称为预夹断。源区 的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟 道向漏端漂移，一旦到 达预夹断区的边界处， 就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏 极电流。

当VDS增加到使VGD<VT时，预 夹断点向源极端延伸成小的夹 断区。由于预夹断区呈现高阻， 而未夹断沟道部分为低阻，因 此，VDS增加的部分基本上降落 在该夹断区内，而沟道中的电 场力基本不变，漂移电流基本 不变，所以，从漏端沟道出现 预夹断点开始， ID基本不随VDS 增加而变化。

三、特性曲线及特性方程1. 输出特性

iD = f (vDS ) |vGS =常数vGD= vGS-vDS=VT

可变电阻区(resistive region) 可变电阻区

—— 饱和区

恒流区( 恒流区(constant current region)——放大区 ) 放大区 夹断区( 夹断区(cutoff rigion) ) ——截止区 截止区

①可变电阻区： 可变电阻区：2 iD = K n 2(vGS VT )vDS vDS

[

]

′ K n W µ nCox W Kn = = 2 L 2 L ②可变电阻区特性曲线原点附近： 可变电阻区特性曲线原点附近： Kn为电导常数，单位：mA/V2 为电导常数，单位： iD ≈ 2 K n (vGS VT )vDS µn :反型层中电子迁移率 Cox : 栅极 ( 与衬底间 ) 氧 栅极( 与衬底间) 化层单位面积电容

rdso

dvDS = diD

=vGS =常数

2 K n (vGS VT )2

1

③饱和区： 饱和区：

iD = K n (vGS VT )

2

vGS vGS =KV V 1 = I DO V 1 T T 2 n T

2

2 I DO = K nVT 是vGS=2VT时的 D 时的i

2、转移特性 、

iD = f (vGS ) |vDS =常数

① vGS < VT 时， iD = 0; ; 增大而增大。 ② vGS ≥ VT时， iD随vGS增大而增大。

3、转移特性与漏极特性间的关系 、①在漏极特性上,对应某一 DS,作一垂直线； 在漏极特性上 对应某一v 作一垂直线； 对应某一 作一垂直线 ②该垂线与各漏极特性相交得到一组交点； 该垂线与各漏极特性相交得到一组交点； 值可画出对应的转移特性。 ③由各交点所对应的vGS 和iD值可画出对应的转移特性。 由各交点所对应的

5.1.2一、结构与符号

N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET 沟道耗尽型

P沟道 沟道 PNP

N沟道 沟道 NPN

二、工作原理预埋在绝缘层 中的正离子能 感应出负电荷 感应电荷增多

1.vGS=0 vDS >0 2. vGS>0 vDS >0 3.vGS<0 vDS >0 4.vGS<0, 且vGS=VP

感应出的负电荷在漏源间形成 导电沟道， 导电沟道

,形成漏极电流 漏源间形成 导电沟道变宽 漏源间形成 导电沟道变窄 导电沟道 消失 漏极电流 iD增大 漏极电流 iD减小 漏极电流 iD≈0

感应出的 负电荷减少 感应电荷 耗尽

N沟道耗尽型 沟道耗尽型MOSFET在正、负栅源电压下均能工作。 在正、 沟道耗尽型 在正 负栅源电压下均能工作。

三、特性曲线

(1. 输出特性 2. 转移特性 转移特性)

2 i D = K n 2 (v GS V P )v DS v DS

[

]

′ Kn W µ n C ox W Kn = = 2 L 2 L (v GS = 0 ) i D ≈ K nV P2 = I DSS iD v 1 GS = K nV VP 2 P

≈ I DSS

2

v 1 GS VP

2

5.1.3一、符号 二、特性曲线

P沟道MOSFET P沟道MOSFET 沟道vGS<VT

1、可变电阻区

2 iD = K p 2(vGS VT )vDS vDS

[

Kp =2、饱和区

µ nCox W 2 L

(vGS ≤ VT ,2

vDS ≥ vGS VT )2

]

vGS iD = K p (vGS VT ) = I DO V 1 T (vGS ≤ VT , vDS ≤ vGS VT )