第四章 MOSFET及其放大电路

概 述 工作原理 电路的构成 电路的分析和设计方法 两类场效应管（FET:Field Effect Transistor）： 概 述 工作原理 电路的构成 电路的分析和设计方法 两类场效应管（FET:Field Effect Transistor）： 金属—氧化物—半导体FET (MOSFET:Metal—Oxide—Semiconductor FET） 结型FET（JFET:Junction FET）

MOSFET的两种类型： 增强型 N沟道型 P沟道型 耗尽型

图4.1 MOSFET的符号 虚线表示沟道在施加外电压后才形成－增强型 实线表示沟道在施加外电压前就存在－耗尽型 箭头朝里表示N沟道 箭头朝外表示P沟道

4.1 N沟道增强型MOSFET的结构和工作原理

沟道长度L：0.5μm的MOSFET就是指它的沟道长度为0.5 μm 。 沟道宽度W： MOSFET集成的微处理器中，W通常与L为同一个数量级； MOSFET集成的放大电路或其他模拟电路中，W可能比L大许多倍。W/L较大，则电压增益也较大。W为L的1000倍是常见的。

4.1.2 工作原理 四个极均未加电压时，两个PN结，如图4.3(a)所示。其等效电路如图4.3(b)所示。即使在漏极和源极之间施加电压，它们之间也不会产生电流。 图4.3 N沟道增强型MOSFET的工作原理

在栅极和衬底之间施加的电压VGB>0，形成自上而 下的电场，该电场随电压的增大而加强。 在电场的作用下， P区中的多子（空穴）向衬底下部移动；如果VGB足够大，达到某个值VTN（门限电压）时，电子会脱离共价键的束缚成为自由电子，向栅极下面的氧化层聚集，形成自由电子层（N沟道,反型层）。如图（C）所示。 若在漏极与源极之间施加电压，则会在漏极和源极之间形成电流。 因为沟道只有在栅极与衬底之间施加电场后才形成，所以这种场效应管称为增强型的MOSFET。

漏源电压越大，沟道越厚，形成的电流就越大。 因为栅极通过氧化物或绝缘体与沟道隔离，所以栅极与衬底之间没有电流。 实际中，衬底一般与源极连接在一起，所以VGB就可用VGS来表示。 综上所述，场效应管是利用栅极与源极之间的电压控制漏源电流的元件。

4.1.3 输出特性曲线 1. VGS< VTN时，由于未形成导电沟道，所以不管VGS的大小如何，iD=0。场效应管的工作在截止区。如图4.4(a)所示。 图4.4 N沟道增强型MOSFET的工作条件

2. VGS为大于等于VTN的某个确定值，导电沟道形成。如图4.4(b)所示。在VDS的作用下，会形成电流iD。 ①当VDS很小（几百mV以内）时，反型层的厚度在整个沟道上基本不变，漏极电流iD随VDS的增加而增大。 沟道的性质类似于线性电阻的性质，故称场效应管在该电压范围（VGS>=VTN，VDS很小时）的工作区域为线性电阻区。如图4.5(a)所示。

图4.5 导电沟道形成过程

②随着VDS的增大，氧化物下部靠近漏极端的电压降低（∵VGS不变，∴VGD=VGS-VDS变小），即靠近漏极端的反型层变薄，沟道在此处的导电能力下降，从而导致iD关于VDS的特性曲线的斜率降低。 沟道的性质类似于可变电阻的性质，故称该区域为可变电阻区。如图4.5(b)所示。 ③当VDS增大到使氧化物与漏极之间的电压等于VTN时，靠近漏极端的反型层电荷密度为0，即iD关于VDS的特性曲线的斜率为0，称该状态为夹断状态。如图4.5(c)所示。

由②和③可知，场效应管工作的可变电阻区为 （ ） 线性电阻区和可变电阻区可统一称为电阻区。 夹断状态时，夹断方程： 即 （4.1） 式中， 是使漏极端反型层电荷密度为0时的漏源 电压。 由②和③可知，场效应管工作的可变电阻区为 （ ） ， 线性电阻区和可变电阻区可统一称为电阻区。

④当 时，沟道中反型层电荷密度为0的点 向源极方向移动。此时，源极的电子进入沟道向漏极移动，到达反型层电荷密度为0的点后进入空间电荷区（耗尽层），接着在电场的作用下进入漏极。 这一过程类似于双极型晶体管中电子穿越反偏的集电结。 当 继续增大时，漏极电流 基本保持 不变，类似于双极型晶体管（当 继续增加，电流 基本保持不变）。如图4.5(d)所示。 时，称场效应管工作在饱和区（即 达到了饱和，不再随 的增加而增加）或放大区。

越大，反型层越厚，沟道的导电能力就越强， 3. 时，不同的 对应不同的特性曲线。 当 ， 的不同会产生不同厚度的反型层。 越大，反型层越厚，沟道的导电能力就越强， 在相同 作用下，产生的漏源电流 就越大； 反之亦然。 综上所述，N沟道增强型MOSFET — 曲线如图4.6所示。

图4.6 N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线 — 图4.6 N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线

4.1.4 电流—电压关系 电阻区： (4.2) (4.3) 放大区： 为N沟道元件的传导参数。 令 则 F/cm。 ＝3.5× W－沟道宽度，L－沟道长度 是氧化物单位面积的电容 是氧化物的厚度， 是氧化物的介电常数， F/cm。 对硅而言， ＝3.5× 是反型层中电子的迁移率。

[例4.1]目的：计算N沟道增强型MOSFET的电流 已知 VTN＝0.75V，W＝4μm，L= 4μm，μn=650cm2/(V.s)，tox=450Å，εox=3.5x10-13F/cm。VGS=2VTN，场效应管处于放大状态。试计算电流iD。 解： ＝0.249mA/v 当 时 （ ） 0.140mA 注：可以通过增大电导参数 来增大晶体管的电流 容量。当制造工艺一定时，可通过调节场效应管的 沟道宽度W来改变