dzxlx03.ppt
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1、第 3 章 场效应管,概 述,3.1 MOS 场效应管,3.2 结型场效应管,3.3 场效管应用原理,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:,第 3 章 场效应管,3.1 MOS 场效应管,第 3 章 场效应管,MOS管又叫绝缘栅场效应管,是由金属(Metal)、氧化物(Oxide)和半导体(Semiconductor)材料构成的,因此叫MOS管。 MOS场效应管分为增强型
2、和耗尽型两种,每一种又包括N沟道和P沟道两种类型,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。,第 3 章 场效应管,3.1.1 增强型 MOS 场效应管,N 沟道 EMOSFET,第 3 章 场效应管,以N沟道增强型MOS管为例,它是以P型半导体作为衬底,用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区,两个N型区分别引出一个金属电极,作为MOS管的源极S和漏极D;在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层,绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。U为从衬底引出的金属电极,一般
3、工作时衬底与源极相连。,3.1.1 增强型 MOS 场效应管,N 沟道 EMOSFET 结构示意图,第 3 章 场效应管,符号中的箭头表示从P区(衬底)指向N区(N沟道),虚线表示增强型。,U,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),N沟道 EMOS 管工作原理,第 3 章 场效应管,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。,第 3 章 场效应管,N沟道增强型MOS管加栅源电
4、压UGS,形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS,称为开启电压UGS(th) 。,VDS 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 VDSID 线性 。,若 VDS 则 VGD 近漏端沟道W Ron增大。,此时 Ron ID 变慢。,第 3 章 场效应管,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
5、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。,第 3 章 场效应管,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。,第 3 章 场效应管,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。,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:,第 3 章
6、场效应管,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:,伏安特性,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。,第 3 章 场效应管,NEMOS 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,VDSID 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。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此,非饱和区又称为可变电阻区。,第 3 章 场效应管,数学模型:,此时 MOS 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器:,VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时,I
7、D 与 VDS 之间呈线性关系:,其中,W、l 为沟道的宽度和长度。,COX (= / OX , SiO2 层介电常数与厚度有关)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。,第 3 章 场效应管,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。,沟道预夹断后对应的工作区。,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(又称有源区)对应三极管的放大区。,第 3 章 场效应管,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:
8、,其中, 称沟道长度调制系数,其值与 l 有关。,通常 = (0.005 0.03 )V-1,第 3 章 场效应管,截止区,特点:,相当于 MOS 管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件:,VGS VGS(th),ID = 0 以下的工作区域。,IG 0,ID 0,击穿区,VDS 增大到一定值时漏衬 PN 结雪崩击穿 ID 剧增。,VDS 沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管 穿通击穿。,第 3 章 场效应管,由于 MOS 管 COX 很小,因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时,感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电压 VGS(= Q /COX),使绝缘层击穿,造成 MOS 管永
9、久性损坏。,MOS 管保护措施:,分立的 MOS 管:各极引线短接、烙铁外壳接地。,MOS 集成电路:,D1、D2 一方面限制 VGS 间最大电压,同时对感 生电荷起旁路作用。,第 3 章 场效应管,NEMOS 管转移特性曲线,VGS(th) = 3V,VDS = 5 V,转移特性曲线反映 VDS 为常数时,VGS 对 ID 的控制作用,可由输出特性转换得到。,VDS = 5 V,转移特性曲线中,ID = 0 时对应的 VGS 值,即开启电压 VGS(th) 。,第 3 章 场效应管,衬底效应,集成电路中,许多 MOS 管做在同一衬底上,为保证 U 与 S、D 之间 PN 结反偏,衬底应接电路
10、最低电位(N 沟道)或最高电位(P 沟道)。,若| VUS | ,耗尽层中负离子数,因 VGS 不变(G 极正电荷量不变),ID ,根据衬底电压对 ID 的控制作用,又称 U 极为背栅极。,阻挡层宽度 ,表面层中电子数 ,第 3 章 场效应管,P 沟道 EMOS 管,N 沟道 EMOS 管与 P 沟道 EMOS 管工作原理相似。,即 VDS 0 、VGS 0,外加电压极性相反、电流 ID 流向相反。,不同之处:,电路符号中的箭头方向相反。,第 3 章 场效应管,3.1.2 耗尽型 MOS 场效应管,DMOS 管结构,第 3 章 场效应管,NDMOS 管伏安特性,VDS 0,VGS 正、负、零均
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