第05章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 34頁

1、金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管Metal Oxide Semiconductor MOSFET 分為 增強(qiáng)型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道增強(qiáng)型： 沒有導(dǎo)電溝道，。時(shí)，00DGSiv。時(shí)，00DGSiv耗盡型： 存在導(dǎo)電溝道，N溝道 P溝道 增強(qiáng)型N溝道 P溝道 耗盡型N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管N溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理的工作原理（1）柵源電壓）柵源電壓VGS的控制作用的控制作用 當(dāng)VGS=0V時(shí)，因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的 PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓, 在D、S間也不可能形成電流。 當(dāng)

2、 0VGSVT (開啟電壓)時(shí)，果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)1 . 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用的N型溝道。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時(shí)，若在漏源間加電壓 VDS，就能產(chǎn)生漏極電流 I D，即管子開啟。 VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣 VDS 電壓作用下， I D 越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓 VGS 對(duì)輸出電流 I D 的控制。 當(dāng)

3、VGSVT時(shí)，襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)VDSI D柵源電壓柵源電壓VGS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制作用的控制作用2 .2 .漏源電壓漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響間電壓最小，其值為： VGD=VGS-VDS , 由此 感生的溝道也最淺。可見，在VDS作用下導(dǎo)電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進(jìn)一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 時(shí)，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。A 當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，

4、漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場(chǎng)力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處，就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。 當(dāng)VDS增加到使VGDVT時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此， VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場(chǎng)力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開始， ID基本不隨VDS增加而變化。增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET的工作原理的工作原理MOSFET的特性曲線特性曲線VVVTGSDS1.1.漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)

5、移特性曲線 VGS對(duì)對(duì)ID的控制特性的控制特性 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 gm 的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 其量綱為mA/V，稱gm為跨導(dǎo)。 gm=ID/VGSQ （mS) ID=f(VGS)VDS=常數(shù)增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型耗盡型MOSFET N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。 因此，使用時(shí)無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。當(dāng)VGS0 時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，隨著VGS 的減小ID

6、 逐漸減小，直至 ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0 的 VGS 值為夾斷電壓 VP 。耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)一、一、 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)1. 開啟電壓VT開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值, 場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。 2. 夾斷電壓VP 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極 電流為零。 3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。4. 輸入電阻輸入電阻RGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管, RGS約是109

7、1015。 5. 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用， gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS (毫西門子)。 6.最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。(2) (2) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào), 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代

8、表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。 參 數(shù)型號(hào)PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 按照?qǐng)鲂?yīng)三極管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類。 1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.2.工作原理工作原理 N 溝道PN結(jié)N溝道場(chǎng)效應(yīng)

9、管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。 在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，極性相反，溝道中的多子為空穴。柵源電壓柵源電壓V VGSGS對(duì)對(duì)i iD D的控制作用的控制作用VGS更負(fù)，溝道更窄，ID更??；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷， ID0。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。漏源電壓漏源電壓V VDSDS對(duì)對(duì)i iD D的影響的影響 在柵源間加電壓在柵源間加電壓VGSVP，漏源間加電壓漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為VGD=VGS

10、-VDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,則漏端耗盡層受反偏電壓為-5V，源端耗盡層受反偏電壓為-2V),使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故VDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)， 隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。JFET工作原理（動(dòng)畫2-9)（動(dòng)畫2-6）(3)

11、(3)伏安特性曲線輸出特性曲線CVDSDGSVfi)(恒流恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn):(1)受控性： 輸入電壓vGS控制輸出電流21VvIiPGSDSSD(2)恒流性：輸出電流iD 基本上不受輸出電壓vDS的影響。用途:可做放大器和恒流源。條件:(1)源端溝道未夾斷 (2)源端溝道予夾斷 VVPGSVVVPGSDS可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)特點(diǎn)特點(diǎn): :(1)(1)當(dāng)vGS 為定值時(shí),iD 是 vDS 的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受 vGS 控制。 （2）管壓降vDS 很小。用途：用途：做壓控線性電阻和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道

12、都不夾斷 VVPGSVVVPGSDS夾斷區(qū)夾斷區(qū) 用途：做無觸點(diǎn)的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個(gè)溝道都夾斷 VVPGS擊穿區(qū)擊穿區(qū)VVDSBRDS)( 當(dāng)漏源電壓增大到 時(shí)，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD 劇增的區(qū)域。其值一般為（20 50）V之間。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越負(fù)，對(duì)應(yīng)的VP就越小。管子不能在擊穿區(qū)工作。0iD特點(diǎn)：轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線CVGSDDSVfi)(輸入電壓VGS對(duì)輸出漏極電流ID的控制msgdvdivimQGSDQGSD/結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型4. 輸入電阻輸入電阻RGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)R

13、GS約大于107；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 5. 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用， gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS (毫西門子)。 6.最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。(2) (2) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào), 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三

14、極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。 參 數(shù)型號(hào)PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 絕緣柵增強(qiáng)型N溝P溝絕緣柵耗盡型 N溝道P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管放大電路放大電路（1）偏置電路及靜態(tài)分析分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓電路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VG