第五章 MOS 场效应晶体管
§ 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理
1．基本结构
上一章我们简单提到了金属－半导体场效应晶体管（即MESFET ），它的工作原理和JEFET 的工作原理有许多类似之处。如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如SiO 2）就可以形成另一种场效应晶体管，即金属－氧化物－半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ，缩写MOSFET ），如图所示（P172）。
MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管。
本章主要以金属―SiO 2―P 型Si 构成的MOS 管为例来讨论其工作原理。器件的基本参数是：沟道长度L （两个N P +结间的距离）；沟道宽度Z ；氧化层厚度x 0；漏区和源区的结深
x j ；衬底掺杂浓度N a 等。
MOS 场效应晶体管可以以半导体Ge 、Si 为材料，也可以用化合物GaAs 、InP 等材料制作，目前以使用Si 材料的最多。MOS 器件栅下的绝缘层可以选用SiO 2、Si 3N 4和Al 2O 3等绝缘材料，其中使用SiO 2最为普遍。
2．载流子的积累、耗尽和反型 （1）载流子积累
我们先不考虑漏极电压V D ，将源极和衬底接地，如图所示。如果在栅极加一负偏压（0G 如果在栅极加一正偏压（0G >V ），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场。在此电 场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗 尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些 负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属 表面感应出正电荷，如图所示。 （3）载流子反型 若在耗尽的基础上进一步增加偏压 V G，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状 态。在反型层中，少子电子浓度高于本征 载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征 载流子浓度，这一层半导体由P型变成了 N型。在半导体表面产生电子积累，这些 电子是可以移动的，如图所示。 当栅压增加到使半导体表面积累的 电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平 衡浓度p p 时，半导体表面达到强反型， 此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用V TH 表示）。达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在MOS场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作N沟道。 3．工作过程 （1）V V TH G >时的工作过程 上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（V V TH G >）时，在两个N＋区之间的P 型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）。于是源和漏之间被能通过大电流的N型 表面沟道连接在一起。这个沟道的电导可以用改变栅电压V G 来调制。背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导。 ①若加一小的漏电压V D ，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）。因此，沟 道的作用相当于一个电阻，且漏电流I D 和漏电压V D 成正比。这是线性区，可用一条恒 定电阻的直线来表示，如图（a）所示。 ②当漏电压增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从0～L逐渐变窄，甚至使L y=处反型层宽度减小到零。这种现象叫做沟道夹断（如图（b）所示）。 沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用P表示。夹断时的漏电压记为V Dsat 。 ③ 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当V V Dsat D >时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。因而从漏到源的电流也不变。主要变化是L 的缩短，比如从L 缩短到L '，如图（c ）所示。载流子在P 点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似。通过以上分析可以看到MOSFET 的I －V 特性和JFET 的很相似。 若施加不同的栅极电压V G ，可以得到如果所示的输出特性曲线。 （2）V V TH G <时的特性 当栅极施加正向电压且在V V TH G <范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏 极加上电压V D （0D >V ），则漏端PN 结为反偏，流过漏源的电流很小，只是PN 结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态。 3．MOS 场效应晶体管的分类 MOS 场效应管的分类和JFET 的分类类似。根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，MOS 场效应晶体管可以N 沟和P 沟两大类。根据0G =V 时的工作状态分为增强型（0G =V 不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（0G =V 已存在导电沟道，要使耗尽型MOS 器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类。因此MOS 场效应晶体管可以分为4种不同的类型：N 沟耗尽型、N 沟增强型、P 沟耗尽型、P 沟增强型。 § 5.2 MOS 场效应晶体管的阈值电压 1．MOS 结构中的电荷分布 如上所述，阈值电压是栅下半导体表面出现强反型时所加的栅源电压，所谓强反型是指表面积累的少子浓度等于甚至超过衬底多数载流子浓度的状态，即能带弯曲至表面势等于或大于两倍费米势的状态。若用ψS 表示表面势，φf 表示半导体内的费米势，则 q E E ) (22F 0i f S -= ≥φψ 式中，E 0i 和E F 分别为本征与杂质费米能级。由??? ? ? ?-=≈T k E E n p N B F 0i i 0a 可得P 型衬底费米势为 n N q T k i a B f ln = φ 上图是N沟MOS管出现强反型时的能带图和电荷的分布。图中，x I 的右边E E F i >， 仍为P型；而在x I 的左边，E E F i <，变为了N型。因而在半导体空间电荷区中感应出 了PN结，这种PN结称为物理PN结，是场感应结。当外加电压V G 撤出之后，反型层消失，PN结也随之消失。 在外加栅压V G 下，金属板上所产生的面电荷密度为Q M ；Q SS 为存在于栅绝缘层中 的固定电荷，可移动电荷和界面态，并将这些电荷用Si－SiO2界面处的电荷密度来等效 的一种表面态电荷密度；Q n 为反型层中单位面积上的导电电子电荷密度；Q B 是半导体 表面耗尽层中的空间电荷密度。 当表面刚好强反型时，表面耗尽层宽度达到最大x dm ，若将反型层和衬底之间的结 近似看作N P +单边突变结，则此结上所加的反向偏压等于φf 2，因此最大耗尽层宽度为 N q x a f 0rs dm ) 2(2φεε= 当表面耗尽层宽度达到最大值x dm 时，表面耗尽层中单位面积上的空间电荷密度Q B 也达到最大值Q Bm )2(2f a 0rs dm a Bm φεεN q x N q Q = = 按照MOS 结构中电中性条件的要求，MOS 结构中的总电荷代数和必须等于零，因此，出现强反型时 0n Bm SS M =+++Q Q Q Q 刚达到强反型时，沟道反型层中的电子浓度刚好等于P 型衬底内的空穴浓度，而且反型层电子只存在于极表面的一层，因此Q Q Bm n <<，可以忽略，所以上式简化为 0Bm SS M =++Q Q Q 2．理想MOS 结构的阈值电压 理想MOS 结构是指：① 在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电，能阻挡直流流过；② 金属与半导体之间的功函数差为零，即二者有相同的费米能级；③ 绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。因此0Bm SS M =++Q Q Q 中忽略Q SS 有 )2(2f a 0rs Bm M φεεN q Q Q -=-= 由于理想MOS 结构中假定金属与半导体之间的功函数差为零，因此在外加栅压为零时，能带处于平直状态，施加了栅压以后，能带才发生弯曲，因此，在理想情况下，加上电压V G 时，外加电压V G 为跨越氧化层的电压V 0和半导体表面势ψS 之和，因此有 ψS 0G +=V V 所以达到强反型时 φf 0TH 2+=V V 设栅氧化层的单位面积电容为C 0，则有 C Q C Q V 0 Bm 0 M 0- == 所以 φf Bm TH 2+- =C Q V 3．实际MOS 结构的阈值电压 实际MOS 结构中存在表面态电荷密度Q SS ，金属－半导体功函数差Φms ，因此，在栅压为零时，由于Q SS 和Φms 的作用，表面能带已经发生弯曲，为了使能带恢复到平带状态，必须在栅极上施加一定的栅压，使能带恢复到平直状态所需要加的栅压称为平带电压V FB ，所以平带电压为 C Q q ΦV 0 SS ms FB -- = 式中，C Q 0SS /表示抵消表面态电荷的影响所需加的栅源电压。因此，在实际MOS 结构中，必须用一部分栅压去抵消Q SS 和Φms 的影响，才能使MOS 结构恢复到平带状态，达到理想MOS 结构的状况，真正降落在栅氧化层和半导体表面上的电压只有V V FB G -，这时，栅电压为 V V V FB S 0G ++=ψ 所以阈值电压为 q ΦC Q Q V V V ms f 0 SS Bm FB f 0TH 22- ++- =++=φφ q Φn N q T k N q C C Q ms i a B f a 0rs 0 SS ln 2)2(21- + + - =φεε 讨论： ① V TH 与衬底掺杂浓度N a 密切相关，衬底掺杂浓度越高，阈值电压也越高。 ② 在使用SiO 2作为栅绝缘材料的SiO 2－Si 系统中，表面电荷Q SS 总是正的，而且主要由界面态、固定电荷、可动离子和电离陷阱等组成。因此，当表面电荷密度较高时，阈值电压可能变成负值，要制作增强型N 沟MOS 管，在工艺中要尽量减少SiO 2－Si 界面上的电荷密度Q SS 。 ③ 金属－半导体功函数差定义为 W W Φm s ms -= W s 和W m 分别代表金属和半导体的功函数。 一般P 型Si 半导体的功函数比金属（如Al ）的功函数大，即W W m s >。因此，要制作增强型N 沟MOS 管，应该选择功函数差低的材料，如多晶硅等栅极材料。 § 5.3 MOS 场效应晶体管的直流电流－电压特性 本节将定量分析MOS 场效应晶体管的电流－电压特性。为了方便起见，先作以下几个假设： ① 忽略源区和漏区体电阻和电极接触电 阻； ② 沟道内掺杂均匀； ③ 载流子在反型层内的迁移率为常数； ④ 长沟道近似和渐近沟道近似，即假设垂直电场和水平电场使互相独立的。 ⑤ 在沟道区不存在复合－产生电流。 下图为N 沟增强型MOS 场效应晶体管的输出特性曲线，图中的电流－电压特性可以用夹断条件作为界限划分为线性区和饱和区。下面作定量分析。 1．线性区的电流－电压特性 下图是放大的N 沟道MOS 管的示意图，其上加了偏置电压。为简化分析，使衬底和源接地。 晶体管处于栅电压大于阀值电压（V V TH G >）条件之下，若沟道中y 处的电位为 )(y V ，则 y 处反型层单位面积电子电荷为)(n y Q ()[]V y V V C y Q TH G 0n )()(---= ① 由于沟道内载流子分布均匀，不存在浓度梯度，因此沟道电流只含电场作用的漂移项，漂移电流为电子电流。 y y V Q Z E y Q Z I y d )(d )(n n n n D μμ-== 其中，y y V E y d )(d - = 将①式代入上式可得 ())(d )(d TH G 0n D y V y V V V C Z y I --=μ 将上式积分，积分限x ：L →0的沟道长度；电压)(x V ：V D 0→ ()? ? --= V y y V y V V V C Z y I D TH G 0n 0 D )(d )(d μ ()?? ??? ? --=?22D D TH G n 0D V V V V L Z C I μ 上式就是线性工作区的直流特性方程（称为萨支唐（Sah ）方程），显然，V D 很小时， 2/2 D V 项可忽略，I D 与V D 成线性关系。V D 增大时，I D 上升变慢，特性曲线弯曲，如图所示。 2．饱和区的电流－电压特性 若增加漏极电压至沟道夹断时，器件的工作进入饱和区。使MOS 管进入饱和工作区所加的漏极电压为V Dsat ，则有 V V V TH G Dsat -= 将上式代入萨支唐方程，便可得到进入饱和区时的漏极饱和电流I Dsat () V V L Z C I TH G 2 n 0Dsat 2-=μ 如果MOS 管进入饱和工作区后，继续增加V D ，则沟道夹断点向源端方向移动，在漏端将出现耗尽区，耗尽区的宽度x d 随着V D 的增大而不断变大，如图所示，通过单边突变结的公式得到 N q V V V L'L x a TH G D 0rs d )] ([2--= -=εε 进入饱和区后的漏极电流I 'Dsat 为 () N q V V V L I L V V L' Z C I a TH G D 0rs Dsat TH G 2 n 0' Dsat )] ([22--- =-= εεμ 上式表明，当V D 增大时，分母减小，I 'Dsat 将随之增加。漏极饱和电流随着沟道长度的减小而增大的效应称为沟道长度调变效应，这个效应会使MOS 管的输出特性曲线明显发生倾斜，导致它的输出阻抗降低。 3．亚阈值区的电流－电压特性 当栅极电压V G 低于阈值电压V TH 时，半导体表面处于弱反型状态，流过漏极的电流并不等于零，这时MOS 场效应晶体管的工作状态处于亚阈值区，流过沟道的电流称为亚阈值电流。对于在低压、低功耗下工作的MOS 管来说，亚阈值区是很重要的，例如，当MOS 管在数字逻辑及储存器中用做开关时，就是这种情况。 对于长沟道MOS 管，在弱反型时表面势可近似看作常数，因此可将沟道方向的电场强度视为零，这时漏源电流主要是扩散电流，并可采用类似于均匀基区晶体管求集电极电流的方法来求亚阈值电流。 y y n D qA I d )(d n D = 在平衡时，没有产生和复合，根据电流连续性要求，电子浓度是随距离线性变化的，即 y L L n n n y n ?? ? ???--=)()0()0()( 代入上式可得 ?? ????--=L L n n D qA I )()0(n D ① 又电子在0=x 和L x =处的浓度)0(n 和)(L n 分别为 ? ? ? ???-=T k q n n B f S i )(exp )0(φψ ? ? ? ? ??--=T k V q n L n B D f S i )(e x p )(φψ ② **因为半导体表面电子浓度 ?? ???????? ??--=??? ? ??=q E E T k q n T k q n n S S F 0i B i B 0exp exp ψψ 其中，???? ??-=T k E E n n B 0i F i 0exp ()?? ????-=φψf B i exp S T k q n 其中，q E E F 0i f -= φ，称为体内费米势 将②式代入①式可得 ?? ?????????????? ??--??????-- =T k q T k V q T k q L n D qA I B S B D B f i n D exp exp 1exp ψφ 上式可以看出，MOS 管在压阈值区漏源电流随着V D 指数变化。又因为表面势 V V TH G S -≈ψ，因此当V V TH G <时，漏电流将指数地减小 ??? ? ??-T k V V q I B TH G D )(exp ~ 为了将亚阈值区电流减小到可以忽略不计，我们必须将MOS 管偏置在比V TH 低0.5V 或更低的电压值下。 4．转移特性 漏源极电流I D 随栅压V G 变化的曲线称为MOS 管的转移特性曲线，N 沟MOS 管的转移特性曲线如图所示。转移特性说明栅压V G 对漏源电流I D 控制作用的强弱。当V V TH G >时，随着V G 的增加，沟道中导电载流子数量增多，沟道电阻减小，因而在一定的V D 作用下，漏极电流上升。V V TH G <后，MOS 管进入亚阈值区工作，漏极电流很小。 5．MOS 管的击穿 当漏源电压V D 增高时，会出现漏－源电流突然增大的情况，这时器件进入了击穿区。击穿时所加的漏源电压称为漏源击穿电压，用V B D 表示。漏源击穿原因，可以用两种不同的击穿机理解释：漏区与衬底之间PN 结的雪崩击穿，漏和源之间的穿通。 § 5.4 理想MOS 结构电容 1．MOS 结构的电容构成 假设理想MOS 结构没有金属和半导体之间的功函数差，氧化层是良好的绝缘体，几乎没有空间电荷存在，Si －SiO 2界面没有界面态，那么外加栅压V G 一部分降落在氧化层（V 0）上，另一部分降落在半导体表面层中，形成表面势ψS ，即 ψS 0G +=V V 当外加偏压V G 变化时，金属电极上的电荷Q M 和半导体表面总电荷Q S 都有相应地发生变化。这说明，MOS 结构有一定的电容效应，所以把它叫做MOS 电容器。 注意：在出现反型以后，特别是在接近强反型时，半导体表面电荷Q S 由两部分组成，一部分是电离受主电荷（即空间电荷）Q B ，另一部分是反型层中的电子电荷Q n ，即： Q Q Q B n S +=。 MOS 结构单位面积的微分电容为 Q Q V V Q C M S M 0G M d d d d 1d d ψ += = 因为 V Q C 0 M 0d d = ； ψ ψ S M S S S d d d d Q Q C = - = 所以 C C C S 111+= ① 上式表明MOS 结构的电容是氧化层电容C 0和半导体表面空间电荷层电容C S 的串联，其等效电路如图所示。式中的C 0和C S 分别为 x C 0 00r 0εε= ； x C d 0rs S εε= 式中，x 0和x d 分别为氧化层和半导体表面空间电荷层的厚度。 2．不同工作条件下MOS 结构的电容变化规律 半导体的表面电容C S 是表面势ψS 的函数，因而也是外加偏压V G 的函数。求出了C S 随V G 变化的规律，也就得到了MOS 结构的总电容C 随外加偏压V G 变化的规律。 求C S 的一般步骤是：① 通过解半导体表面空间电荷区电势的泊松方程求出半导体表面处的电场E S ；② 利用高斯定理求出表面电荷面密度Q S ；③ 根据电容的定义求出 C S 。下面仍以P 型半导体为例，将外加偏压V G 分区直接给出结果。 （1）多数载流子积累状态 当栅压为负值（0G ??? ? ?? -= T k q L C B S D rs S 2exp ψεε 式中，p q T k L 0 p 2 B 0rs D 2εε= 称为德拜长度，p 0p 为P 型半导体多子的浓度，将上式代入①式 可得归一化电容为 ??? ? ??+ =T k q L C C C B S 0rs D 00 2exp 11 ψεε ② 当加较大的负栅压V G 时，由于ψS 为负值，且其绝对值较大，上式分母中第二项趋近于零，故10=C C/，即C C 0=。这种情况下，MOS 的电容不随栅偏压变化的，因为在多子积累状态时，在栅偏压作用下，电荷直接积累在SiO 2的两侧，所以，MOS 结构的总电容就等于氧化层的电容。对于SiO 2厚度一定时，氧化层电容C 0是一个不随栅偏压变化的常数，如图中AB 段所示。 （2）平带状态 当栅偏压的绝对值逐渐减小时，表面势ψS 也变得很小，空穴的积累减弱，②式分母中的第二项变大而不能略去，使得C C/0随表面势ψS 的减小而变小，如图BC 段。当 0G =V 时，平带电容为 L C D 0rs S 2εε= 代入①式可得归一化电容为 x N q T k C C 2 a 2 B 0rs rs 0r 0 11 εεεε+ = 图中所示的MOS 电容曲线与纵轴的交点C 点称为平带点，平带点C 点对应的电容，就是平带电容。上式表明，若绝缘层厚度一定，N a 越大，平带时总归一化电容C C/0也越大，这是因为表面空间电荷层随N a 增大而变薄所致。另一方面绝缘层厚度越大，C 0越小，C C/0也越大。 （3）表面耗尽状态 当栅极上所加的偏压为正（0G >V ），但又未出现反型状态时，表面空间电荷区处于耗尽状态，这种状态下MOS 结构电容是SiO 2层电容和表面耗尽层电容的串联，耗尽层电容C S 为 ψ εεS rs a S 2N q C = 其中，εεψ0 rs 2 d a S 2x N q = 将上式电容代入①式可得归一化电容为 V x N q C C G 2 a rs 0 20 r 0 211εεε+ = 上述公式是表面逐渐被耗尽时的电容变化规律，电容随栅压的平方根增加而下降，这是由于耗尽状态时，表面空间电荷层厚度x d 随偏压V G 增大而增厚，x d 越大，则C S 越小，C C/0也随之越小。C C/0随V G 的变化如图CD 段。 （4）表面反型状态 当栅极上所加正偏压进一步增大，直到使表面表面势φψf S 2>时，表面出现强反型，这时表面空间电荷区的耗尽层宽度维持在最大值x dm ，半导体表面电容为 ? ?? ? ??= T k q p n L C B S 0p 0 p D rs S exp ψεε 其中，εεψ0 rs 2 dm a S 2x N q = 式中，p 0p 和n 0p 分别为平衡时空穴与电子浓度。将上式代入①式可得归一化电容为 ? ?? ? ??+ =T k q p n x L C C B S 0p 0 p 0 0r D 0r 0 exp 11 ψεε ③ 这是在强反型状态下C C/0随表面势ψS 变化的规律，如图DE 段，当ψS 是正值并且较大时，上式分母中的第二项接近于零，于是10=C C/，这时MOS 结构电容C 又增加到SiO 2层的电容C 0，如图EF 段所示。这是因为出现强反型后，大量电子聚集在半导体表面处，绝缘层两边堆积着电荷，如同只有绝缘层电容C 0一样。 特别值得指出的时，MOS 结构电容器的电容特性在反型状态下，对于不同测试信号频率的响应是不同的。上面进行的讨论，是以低频信号为前提的，③式只适用于信号频率较低的情形，在这种情形下，反型层中电子的复合和产生速率能够跟得上信号的变化，也就是说在栅偏压的增加和减弱，表面反型层中电子的积累和减小时，才显示出电容效应。而在栅极电压变化的频率较高，反型层中电子的复合和产生跟不上高频信号的变化的，则显示不出电容效应。 § 5.5 MOS 管的交流小信号参数和频率特性 1．交流小信号参数 MOS 管的小信号特性是指在一定工作点上，输出端电流的微小变化与输入端电压的微小变化之间有定量关系，由于这是一种线性变化关系，所以可以用线性方程组描述小信号特性，其中不随信号电流和信号电压变化的常数即为小信号参数。 （1）跨导g m 跨导是MOS 管的一个重要参量，它反映外加栅极电压的变化量控制漏源电流变化量的能力，g m 的定义为 常数 =??= V V I g D G D m 也就是说，在V D 一定时，栅极电压每变化1伏特所引起的漏源电流的变化。跨导的单位时欧姆的倒数，它标志着MOS 管的电压放大本领。g m 与电压增益K V 的关系为 R g V R I K L m G L D V =??= 式中，R L 为MOS 管的负载。上式可见，MOS 管的跨导越大，电压增益也越大，跨导的大小与各种工作状态有关。 ① 线性区跨导g ml 在线性工作区，当V V Dsat D <时，由线性区电流()?? ??? ? --=22D D TH G n 0D V V V V L Z C I μ求导 可得 V L Z C g D n 0ml μ= 这说明在线性工作区，g ml 随V D 的增加而略有增加。值得注意的是，上式看上去似乎与V G 无关，但测量结果表明当V G 增大时g ml 下降，这是因为当V G 增大时，电子迁移率μn 下降的缘故。 ② 饱和区跨导g ms 在饱和工作区，当V V Dsat D >时，由饱和区电流()V V L Z C I TH G 2 n 0Dsat 2-= μ求导可得 ()V V L Z C g TH G n 0ms -= μ 这说明在饱和工作区，将不考虑沟道调制效应，跨导g ms 基本上与V D 无关。要提高MOS 管的跨导g ml 和g ms ，可采取的方法为：改进MOS 管结构（如增大管子的沟道宽长比L Z /，减薄氧化层厚度等），提高载流子迁移率等，这些措施与提高I D 的要求是一致的。适当增大栅极工作电压V G ，可以增加饱和工作区的跨导。 （2）漏源输出电导g d ① 线性工作区的漏源输出电导g dl g dl 的定义为： 常数 =??= V V I g G D D dl 由线性区工作电流方程对漏源电压V D 求导可得 ()V V V L Z C g D TH G n 0dl --=μ 上式表明随着V D 的增大，但还未到饱和区时，g dl 将会减小。在V D 较小时 ()V V L Z C g TH G n 0dl -≈μ 因此，在V D 较小时，漏源输出电导g dl 和饱和工作区的跨导g ms 相等，在V G 不太大时，g dl 与V G 成线性关系。输出电阻g dl /1与()V V TH G -是双曲线关系，即g dl /1随V G 的增大而减小。当漏源电流较大时，g dl 与V G 的线性关系不再维持，这是因为电子的迁移率随V G 的增加而减小。 ② 饱和区漏源输出电导g ds 在理想情况下，若不考虑沟道长度调制效应，饱和区的漏电流I Dsat 与V D 无关。饱和工作区的g ds 应为零，即输出电阻为无穷大。 对于实际MOS 管，饱和区输出特性曲线总有一定的倾斜，使输出电导不等于零，即输出电阻不为无穷大。造成输出特性曲线倾斜的主要原因是沟道长度调制效应，当 V V Dsat D >时，沟道有效长度缩短，从而导致饱和电流随V D 的增加而增加。考虑沟道调 制效应后的饱和电流为 N q V V V L I L I a TH G D 0rs Dsat 'Dsat )] ([2--- =εε 根据电导的定义可得 （3）串联电阻对g m 和g d 的影响 （1）对跨导g m 的影响 由于MOS 管源区的体电阻、欧姆接触及电极引线等附加电阻的存在，使源区和地 之间有一个外接串联电阻R S 。若加在栅极与地之间的电压为V 'G ，引起的漏源电流为I D ，则它在R S 上有一个压降R I S D ，真正加在栅极与源之间的电压V G 与V 'G 的关系为 R I V V ' S D G G += 计及R S 影响后的跨导g ' m 为 R g g V V V I V V V I V I g '' '' S m m G G G D G G G D G D m 1/+=????=?????=??= 上式表明，当MOS 管源极串联电阻不能忽略时，其跨导将减小R g S m 11+，但其中R S 起 负反馈作用，可以稳定跨导。如果R g S m 很大，则有 R g ' S m 1= 这是深反馈情况，跨导与器件参数无关。 （2）对输出电导g d 的影响 若漏区的外接串联电阻为R D ，用相似的讨论方法可以得到在线性工作区受R S 及R D 影响的有效输出电导为 g R R g g ' d D S d d )(1++= 上面讨论表明，串联电阻R S 和R D 会使跨导和输出电导变小，在设计和制造MOS 管时，应尽量减少漏极和栅极串联电阻。 2．MOS 管的截止频率 和JFET 类似，我们用如图所示的 等效电路来分析MOS 管的截止频率。截止频率f T 为输出电流和输入电流之比为1时的频率，即当器件输出短路时，器件不能放大输入信号时的频率。 栅极端输入的信号电流可以表示为 v C f v C C f i g G g gd gs g 2)(2ππ=+= 漏极端输出的交流电流（由跨导定义知）为 v g i g m d = 当i i g d =时，达到增益为1（不再放大）的条件，此时的频率为截止频率f T ，所以有 v g v C f g m g G T 2=π V L C Z C C g f D G n 0G m T 22πμπ= =? （线性区，V V Dsat D <<） 上式表明，要提高工作频率或工作速度，沟道的长度要短，载流子迁移率要高。 § 5.6 器件尺寸比例 从1959年集成电路时代开始以来，器件的尺寸在不断减小。减小器件尺寸的目的是为了满足在单个半导体芯片上制造含有成千上万个晶体管的高度复杂的集成电路的要求。 1．MOS 管的沟道效应 前面我们都是在长沟道下讨论的。如果沟道长度缩短，源结与漏结耗尽层的厚度可与沟道长度比拟时，沟道区的电势分布不仅与由栅电压及衬底偏置电压决定的纵向电场 E x 有关，而且与由漏极电压控制的横向电场E y 也有关。换句话说，此时缓变沟道的近 似不再成立，这个二维电势分布会导致阈值电压随L 的缩短而下降，亚阈值特性的降级以及由于穿通效应而使电流饱和失效，在沟道区出现二维电势分布以及高电场，这些不同于长沟道MOS 管特性的现象，统称为短沟道效应。 当沟道长度缩短，沟道横向电场增大时，沟道区载流子的迁移率变化与电场有关，最后使载流子速度达到饱和。当电场进一步增大时，靠近漏端处发生载流子倍增，从而导致衬底电流及产生寄生双极型晶体管效应，强电场也促使热载流子注入氧化层，导致氧化层内增加负电荷及引起阈值电压移动、跨导下降等。 当沟道缩小时，由于漏沟静电反馈有效应，阈值电压V TH 显著减小。漏沟静电反馈有效应是指衬底低掺杂，沟道短的情况下，漏衬PN 结耗尽区宽度以及表面耗尽区宽度与沟道长度可比拟时，漏区和沟道之间将出现静电耦合，漏区发出的场强线中的一部分通过耗尽区终止于沟道，致使反型层内电子数量增加的现象。 2．最小沟道长度L min 基于大量的实验，Brews 等人导出了能保持长沟特性的最小沟道长度L min 的经验公式为 [ ] γ 3 /1D S 2 0j 3 /1min 4.0) (4.0=+=W W x r L )(D S 2 0j W W x r +=γ 式中，r j 为结深；x 0为氧化层厚度；)(D S W W +为源与漏一维突变结耗尽区厚度之和。 N q V V W a SB 00rs S ) (2+= εε N q V V V W a D SB 00rs D ) (2++= εε V SB 为衬底偏置电压。当0D =V 时，W W D S =。 下图给出了最小沟道长度表达式与实验结果。图中，短沟区的所有器件，都显示短沟道电特性，在长沟道区的所有器件，都显示长沟道电特性。例如μm 10314=γ?，8μm 沟道长度已是短沟道器件，但是如果μm 13=γ?，1μm 沟道长度的器件依然可视为长沟道器件。 减小沟道效应而能保持原来长沟道特性的另一个非常好的方法就是，简单地将器件所以尺寸和电压同时缩小一个比例因子，使内部电场和长沟道MOS 管的相同。 场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场 功率场效应晶体管MOSFET 1.概述 MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 2.功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。 2.1功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS 器件为例进行讨论。 功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET 采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。 2.2功率MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1 反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。 2.3功率MOSFET的基本特性 在P 型衬底上，制作两个高掺杂浓度的N 型区，形成源极（Source ）和漏极（Drian ）,另外一个是栅极（Gate ）.当Vi=Vgs 如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。 MOS管工作原理及芯片汇总 一：MOS管参数解释 MOS管介绍 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，一般都要考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等因素。 MOSFET管是FET的一种，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，一般主要应用的为增强型的NMOS管和增强型的PMOS管，所以通常提到的就是这两种。 这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。 在MOS管内部，漏极和源极之间会寄生一个二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要，并且只在单个的MOS管中存在此二极管，在集成电路芯片内部通常是没有的。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免。 MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V, 其他电压，看手册）就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在DS间流过电流的同时，两端还会有电压，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率M OS管导通电阻一般在几毫欧，几十毫欧左右 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 MOS管驱动 MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。但是，我们还需要速度。 实验六场效应管放大器 一、实验目的 1、了解结型场效应管的性能和特点 2、进一步熟悉放大器动态参数的测试方法 二、实验仪器 1、双踪示波器 2、万用表 3、信号发生器 三、实验原理 实验电路如下图所示： 图6-1 场效应管是一种电压控制型器件。按结构可分为结型和绝缘栅型两种类型。由于场效应管栅源之间处于绝缘或反向偏置，所以输入电阻很高（一般可达上百兆欧）又由于场效应管是一种多数载流子控制器件，因此热稳定性好，抗辐射能力强，噪声系数小。加之制造工艺较简单，便于大规模集成，因此得到越来越广泛的应用。 1、结型场效应管的特性和参数 场效应管的特性主要有输出特性和转移特性。图6－2所示为N 沟道结 图6－2 3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线 型场效应管3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线。 其直流参数主要有饱和漏极电流I DSS ，夹断电压U P 等；交流参数主要有低频跨导 常数U △U △I g DS GS D m == 表6－1列出了3DJ6F 的典型参数值及测试条件。 表6－1 2、场效应管放大器性能分析 图6－1为结型场效应管组成的共源级放大电路。其静态工作点 2 P GS DSS D )U U (1I I - = 中频电压放大倍数 A V ＝－g m R L ＇＝－g m R D // R L 输入电阻 R i ＝R G ＋R g1 // R g2 输出电阻 R O ≈R D 式中跨导g m 可由特性曲线用作图法求得，或用公式 )U U (1U 2I g P GS P DSS m -- = 计算。但要注意，计算时U GS 要用静态工作点处之数值。 3、输入电阻的测量方法 场效应管放大器的静态工作点、电压放大倍数和输出电阻的测量方法，与实验二中晶体管放大器的测量方法相同。其输入电阻的测量， S D DD g2 g1g1 S G GS R I U R R R U U U -+= -= 场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在 功率场效应晶体管MOSFET 技术分类：电源技术模拟设计 | 2007-06-07 来源：全网电子 1.概述 MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。 功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的 MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 2.功率MOSFET的结构和工作原理 功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET 主要是N沟道增强型。 2.1功率MOSFET的结构 功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET 器件的耐压和耐电流能力。 利用场效应管实现放大电路 一、设计题目 设计一个场效应管放大器，要求电压增益大于40，输出阻抗小与500欧姆，电源电压15V，输出信号峰峰值不小于8 V，非线性失真度小于10%。 二、技术参数要求 1, 要求电压增益大于40 2,输出阻抗小与500欧姆 3,电源电压15V 4,输出信号峰峰值不小于8 V 5,非线性失真度小于10% 三、所用设备、仪器及清单 示波器一个、信号发生器一个、直流稳压电源一个、数字万用表一个、3DJ6F场效应管三个、47μF电容五个、面包板一个、电阻若干。 四、电路图 五、原理介绍 (1)转移特性栅极电压对漏极电流的控制作用称为转移特性，若用曲线表示，该曲线就称为转移特性曲线。它的定义是：漏极电压UDS恒定时，漏极电流ID同栅极电压UGS的关系，即结型场效应管的转移特性曲线如图所示。图中的Up为夹断电压，此时源极与漏极间的电阻趋于无穷大，管子截止。在UP电压之后，若继续增大UGS就可能会出现反向击穿现象而损坏管子。 (2)输出特性UDS与ID的关系称为输出特性，若用曲线表示，该曲线就称为输出特性曲线。它的定义是：当栅极电压UGS恒定时，ID随UDS的变化关系，即结型场效应管的输出特性曲线如图所示。结型场效应管的输出特性曲线分为三个区，即可变电阻区、饱和区及击穿区。当UDS较小时，是曲线的上升部分，它基本上是通过原点的一条直线，这时可以把管子看成是一个可变电阻。当UDS增加到一定程度后，就会产生预夹断，因此尽管UDS再增加，但IS基本不变。因此预夹断点的轨迹就是两种工作状态的分界线。把曲线上UDS=UGS-UP的点连接起来，便可得到预夹断时的轨迹。轨迹左边对应不同UGS值的各条直线，通称为可变电阻区； MOS 场效应管的工作原理及特点 场效应管是只有一种载流子参与导电，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）。 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 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(substrat)，用符号B表示。 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（VGS(th) 称为开启电压），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，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。 VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。 转移特性曲线斜率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： gm=△ID/△VGS| (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， 详细讲解MOSFET管驱动电路 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 3，MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。 导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 4，MOS管驱动 跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。 三、场效应管的参数 场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数： 1、I DSS — 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS =0时的漏源电流。 2、U P — 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。 3、U T — 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、g M — 跨导。是表示栅源电压U GS — 对漏极电流I D 的控制能力，即漏极电流I D 变化量与栅源电压U GS 变化量的比值。g M 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BU DS — 漏源击穿电压。是指栅源电压U GS 一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一 项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BU DS。 第3章 场效应管及其放大电路例题解析 例3．1 试将场效应管栅极和漏极电压对电流的控制机理，与双极型晶体管基极和集电极电压对电流的控制机理作一比较。 场效应管栅极电压是通过改变场效应管导电沟道的几何尺寸来控制电流。漏极电压则改变导电沟道几何尺寸和加速载流子运动。双极型三极管基极电压是通过改变发射结势垒高度来控制电流，集电极电压(在放大区)是通过改变基区宽度，从而改变基区少子密度梯度来控制电流。 例3．2 N 沟道JFET 的转移特性如图3．1所示。试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。 解 由图3．1可至知，此JFET 的饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V 。 例3．3 N 沟道JFET 的输出特性如图3．2所示。漏源电压的V DS ＝15V ，试确定其饱和漏电流I DSS 和夹断电压V P 。并计算V GS ＝-2V 时的跨导g m 。 解 由图3．2可得：饱和漏电流I DSS ≈4mA ，夹断电压V P ≈-4V ，V GS ＝-2V 时，用作图法求得跨导近似为：ms g m 2.1) 2(14.16.2=----≈ 例３．4 在图3．3所示的放大电路中，已知V DD ＝20V ，R D ＝10k Ω，R S ＝10k Ω，R １＝200k Ω，R 2＝51k Ω，R G ＝1M Ω，并将其输出端接一负载电阻R L ＝10 k Ω。所用的场效应管为N 沟道耗尽型，其参数I DSS ＝0．9mA ，V P ＝—4V ，g m ＝1．5mA ／V 。试求：(1)静态值； (2)电压放大倍数。 解 (1) 画出其微变等效电路，如图3．4所示。其中考虑到ｒＧＳ很大，可认为ｒＧＳ开路，由电路图可知， V V V R R R V DD G 42010 )51200(105133 212=??+?=+= 并可列出 D D S G G S I I R V V 310104?-=-= 图3．1 图3． 2 南昌大学实验报告 学生姓名：学号：专业班级：生医091 实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：20110615 实验成绩：实验十三基于Multisim的场效应管放大器电路设计 一、实验目的： 1、场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 2、研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 3、进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 二、实验原理： 1．场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点： (1)场效应管为电压控制型元件； (2)输入阻抗高(尤其是MOS场效应管)； (3)噪声系数小； (4)温度稳定性好，抗辐射能力强； (5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免PN结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。 和双极型晶体管相比场效应管的不足之处是共源跨导gm。值较低(只有ms级)，MOS管的绝缘层很薄，极容易被感应电荷所击穿。因此，在用仪器测量其参数或用烙铁进行焊接时，都必须使仪器、烙铁或电路本身具有良好的接地。焊接时，一般先焊S极，再焊其他极。不用时应将所有电极短接。 2．偏置电路和静态工作点的确定 与双极型晶体管放大器一样，为使场效应管放大器正常工作，也需选择恰当的直流偏置电路以建立合适的静态工作点。 场效应管放大器的偏置电路形式主要有自偏压电路和分压器式自偏压电路(增强型MOS管不能采用自偏压电路)两种。 三、实验内容及步骤 1．场效应管共源放大器的调试 (1)连接电路。按图2.4.1在模拟电路实验板上插接好电路，场效应管选用N沟道结型管 3DJ6D，静态工作点的设置方式为自偏压式。直流稳压电源调至18V并接好(注意:共地) (2)测量静态工作点 调节电阻R使V D为2.43V左右，并测量此时的Vg、Vs ，填入表2.4.1，并计算。 表2.4.1静态工作点 将函数发生器的输出端接到电路的输入端。使函数发生器输出正弦波并调=2mV，f=lkHz。用示波器观察输出波形，(若有失真，应重调静态工作点，使波形不失真)，并用示波器测量输出电压Vo，计算Av (4)测量输入及输出阻抗 用换算法测量放大器的输入电阻，在输入回路串接已知阻值的电阻R，但必须注意，由于场效应管放大器的输入阻抗很高，若仍用直接测量电阻R两端对地电Vs 和Vi进行换算的方法，将会产生两个问题： (1)由于场效应管放大器Ri高，测量时会引人干扰； (2)测量所用的电压表的内阻必须远大于放大器的输入电阻Ri，否则将会产生较大的测量误差。为了消除上述干扰和误差，可以利用被测放大器的隔离作用，通过测量放大器输出电压来进行换算得到Ri。图为测量高输入阻抗的原理图。方法是：先闭合开关S(R=0)，输入信号电压Vs，测出相应的输出电压V01，然后断开S，测出相应的输出电压V02，因为两次测量中和是基本不变的，所以 R i=V O2/(V O1-V O2)R 输出电阻测量:在放大器输入端加入一个固定信号电压Vs ，分别测量当已知负载R L断开和接上的输出电压V0和V0L。则 R0=（V0 / V0L -1）R L * 课程设计报告 题目：场效应管放大电路设计 学生姓名： *** 学生学号： ******** 系别：电气信息工程院 专业：通信工程 届别： 2014届 指导教师： ** 电气信息工程学院制 2013年3月 场效应管放大电路设计 学生：** 指导教师：** 电气信息工程学院通信工程专业 1、课程设计任务和要求： 1.1 场效应管电路模型、工作点、参数调整、行为特征观察方法 1.2 研究场效应放大电路的放大特性及元件参数的计算 1.3 进一步熟悉放大器性能指标的测量方法 2、课程设计的研究基础： 2.1 场效应管的特点 场效应管与双极型晶体管比较有如下特点： (1)场效应管为电压控制型元件； (2)输入阻抗高(尤其是MOS场效应管)； (3)噪声系数小； (4)温度稳定性好，抗辐射能力强； (5)结型管的源极(S)和漏极(D)可以互换使用，但切勿将栅(G)源(S)极电压的极性接反，以免PN结因正偏过流而烧坏。对于耗尽型MOS管，其栅源偏压可正可负，使用较灵活。 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。场效应管，FET 是一种电压控制电流器件。其特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。场效应管的种类很多，按结构可分为两大类：结型场效应管、JFET和绝缘栅型场效应管IGFET。结型场效应管又分为N沟道和P 沟道两种。绝缘栅场效应管主要指金属一氧化物—半导体MOS场效应管。MOS管又分为“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种又分为N沟道和P沟道。结型场效应管是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流的输入电阻105---1015 之间，绝缘栅型是利感应电荷的多少来控制导点沟道的宽窄从而控制电流的大小、其输入阻抗很高(其栅极与其他电极互相绝缘)以及它在硅片上的集成度高，因此在大规模集成电路中占有极其重要的地位。由多数载流子参与导电，也称为单机型晶体管。它属于电压控制型 场效应管工作原理 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。 2、UP 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、gM 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BUDS 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。 7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。 一、直流参数 1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA， 50μA)时所需UGS的值。 3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。 4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。 二、交流参数 MOS/CMOS集成电路简介及N沟道MOS管和P沟道MOS管 在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，分为N沟道和P沟道两种。 我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 1.导通特性 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低 端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 2.MOS开关管损失 不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。 MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。 导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。 3.MOS管驱动 跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。 在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。 第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极 万联芯城致力于打造一个方便快捷的电子物料采购平台。采购MOS管等电子元器件，就到万联芯城，万联芯城MOS场效应管主打 IR,AOS,VISHAY等知名国际品牌，均为原装进口货源，当天可发货。点击进入万联芯城 点击进入万联芯城 MOS管是FET的一种(另一种是JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS 管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。 下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管工作原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 MOS管工作原理图电源开关电路详解 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS的工作原理图。 它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS MOS管，其内部结构见mos管工作原理图。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 第四章场效应管放大电路 本章内容简介 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。 4.1 结型场效应管 4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构 在一块N型半导体材料的两边各扩散 一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对 称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在 一起，引出一个电极g，称为栅极，在N 型半导体的两端各引出一个电极，分别称 为源极s和漏极d。 场效应管的与三极管的三个电极的对应关系： 栅极g—基极b；源极s—发射极e；漏极d—集电极c夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。 如果在一块P型半导体的两边各扩散一 个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟 道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的 结构示意图和它在电路中的代表符号 如图所示。 2. 工作原理 v GS对i D的控制作用 为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压v DS=0。 (a) 当v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小。 (b) 当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N 区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏－源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅－源电压v GS称为夹断电压，用V P表示。在预夹断处：V GD=V GS－V DS =V P 上述分析表明: (a)改变栅源电压v GS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。 (b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压v DS，则漏极电流i D将受v GS的控制，|v GS|增大时，沟道电阻增大，i D减小。 (c)上述效应也可以看作是栅－源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流i D的大小。 v DS对i D的影响 设v GS值固定，且V P场效应管工作原理 1
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