同仁堂中医诊所:电源与mos的配用

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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）。 1.1
1.1.1
MOS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
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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＋VGS
VGD=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＞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
IDD
VDS
图3-3 VGS一定，ID随VDS变化的特性
VGS-VGS(th)
2
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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−−=μ
2．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(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。
ID
VGS
3-5 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
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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 1.1.3
N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−−=μ
VGS<VGS(th)
VDS≤VGS-VGS(th)
VGS>VGS(th)
VDS≥VGS-VGS(th)
饱和区
)V1(]VV[l2WCIDS2)th(GSGSoxnDλμ+−= 4
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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∂∂+∂∂+==
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
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G
D
+
+
-
-
μvgs
rds
vds
vgs
igs
μ=gmrd
S
mQusDgvigmuη=∂∂= 衬底跨导
gmvgs rds
vds
-
+
vgs
+
gmuvus
-
高频小信号电路模型
Cgd
Csu
Cgd
Cds
g
Cgu
d
s
Cgs
Cgd
Cgs
g
d
Cds
s
1.1.5
分析方法
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1.2
1.2.1
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
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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，阻挡层宽度增大，主要向低掺杂N区扩展。当VDS=0时，VGS越负，响应的阻挡层越宽，沟道就窄，沟道的导电能力就越差，直到VGS=VGS(off)时，两侧阻挡层相遇，沟道消失。
D S G P+P+ G DSG P+P+G
由于ID通过长条沟道产生漏极到源极方向的电压降，因此在沟道的不同位置上，加在PN结上的反向偏置电压就不同，在源极端，PN结上的反偏电压最小。在漏极端，PN结上的反偏电压最高，响应的阻挡层最宽，沟道也最窄。当VGS=VGS（off）时，近漏极端的沟道被夹断。 1.2.2
伏安特性曲线
根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N
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沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。
结型场效应三极管的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与绝缘栅场效应三极管的特性曲线基本相同，只不过绝缘栅场效应管的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。N沟道结型场效应三极管的特性曲线如下图所示。
(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线
1． 非饱和区
VGS>VGS(off)、VDS<VGS-VGS(off) ])VV(VV)VV1(2[II2)off(GSDS)off(GSDS)off(GSGSDSSD−−−=
2． 饱和区
VGS>VGS(off)、VDS>VGS-VGS(off) 限定 2)off(GSGSDSSD)VV1(II−=
3． 截止区
VGS<VGS(off) 沟道被夹断，ID=0。
4． 击穿区
当VDS增大到一定值V(BR)DS时，漏极端PN结发生雪崩击穿而使ID急剧增加区域。 9