(簡(jiǎn))15.9場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

1、15.9 15.9 場(chǎng)效晶體管及其放大電路場(chǎng)效晶體管及其放大電路 15.9.1 絕緣柵場(chǎng)效晶體管的工作原理 15.9.2 雙極型和場(chǎng)效型晶體管的比較 15.9.3 場(chǎng)效晶體管放大電路 場(chǎng)效晶體管場(chǎng)效晶體管是是僅由一種載流子僅由一種載流子參與導(dǎo)電的參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控用輸入電壓控制輸出電流制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件。 從場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有兩大類(lèi)：從場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有兩大類(lèi)： 1.結(jié)型場(chǎng)效晶體管結(jié)型場(chǎng)效晶體管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2.絕緣柵型場(chǎng)效晶體管絕緣柵型場(chǎng)效

2、晶體管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET） 從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道溝道器件和空穴作為載流子的器件和空穴作為載流子的P溝道溝道器件。器件。 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)圖的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)圖 15.9.1。其中：。其中： D(Drain)為漏極，相當(dāng)為漏極，相當(dāng)c； G(Gate)為柵極，相當(dāng)為柵極

3、，相當(dāng)b； S(Source)為源極，相當(dāng)為源極，相當(dāng)e。 圖圖15.9.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖（動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)16-11-1）15.9.1 15.9.1 絕緣柵場(chǎng)效晶體管的工作原理絕緣柵場(chǎng)效晶體管的工作原理 絕緣柵型場(chǎng)效晶體管絕緣柵型場(chǎng)效晶體管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為。分為 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道一個(gè)是一個(gè)是漏極漏極D，一個(gè)是，一個(gè)是源極源極S。在源極和漏極之間的。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極柵極G。P型半

4、導(dǎo)體稱為型半導(dǎo)體稱為襯底襯底，用符號(hào)，用符號(hào)B表示。表示。 (1)(1)N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 根據(jù)圖根據(jù)圖15.9.1， N溝道增強(qiáng)溝道增強(qiáng)型型MOSFET是在是在P型半導(dǎo)體上生成一層型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，型區(qū)引出電極，柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，柵源電阻很高，可達(dá)柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，柵源電阻很高，可達(dá)1014。這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)柵極和源極之間加有電壓當(dāng)柵極和源極之間加有電壓VGS時(shí)，時(shí)，工作原理工作原理 1柵

5、源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用 當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)時(shí)，漏源之間相當(dāng)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的兩個(gè)背靠背的 二極管二極管，在在D、S之間加上電壓不會(huì)在之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。間形成電流。由于電場(chǎng)的作用，吸引電子，排斥空穴。由于電場(chǎng)的作用，吸引電子，排斥空穴。出現(xiàn)負(fù)離子的耗盡層。出現(xiàn)負(fù)離子的耗盡層。但此時(shí)不足以形成溝道，故不可能形成漏極電流但此時(shí)不足以形成溝道，故不可能形成漏極電流ID。當(dāng)當(dāng)0VGSVGS(th)時(shí)，時(shí)，產(chǎn)生了垂直于襯底表面的電場(chǎng)，產(chǎn)生了垂直于襯底表面的電場(chǎng)， 進(jìn)一步增加進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)當(dāng)VGSVGS(th)時(shí)（時(shí)（ VGS(th) 稱為開(kāi)啟電壓稱為開(kāi)啟電

6、壓)， 隨著隨著VGS的繼續(xù)增加，的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在將不斷增加。在VGS=0V時(shí)時(shí)ID=0，只有當(dāng)只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為管稱為增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管管。表層中聚集較多的電子，表層中聚集較多的電子，形成溝道，將漏極和源極溝通。形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流可以形成漏極電流ID。 在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為載流子空穴極性相反，故稱為反型層反型層。(動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)16-11-

7、2）圖圖15.9.2 VGS對(duì)漏極電流的控制特性對(duì)漏極電流的控制特性轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。極電流的控制作用。 gm 的量綱為的量綱為mA/V，所以，所以gm也稱為也稱為跨導(dǎo)跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm= ID/ VGS VDS=const (單位單位mS) ID=f(VGS) VDS=const VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用可用 ID=f(VGS) VDS=const 這一曲線描述，稱為這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖，見(jiàn)圖15.

8、9.2。圖圖15.9.4漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線ID=f(VDS) VGS=const 當(dāng)當(dāng)VGS固定為某一值時(shí)，固定為某一值時(shí)， VDS對(duì)對(duì)ID的影響，的影響，即即ID=f(VDS) VGS=const這一關(guān)系曲線如圖這一關(guān)系曲線如圖15.9.4所示。這所示。這一曲線稱為一曲線稱為漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線。 (2)(2)N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，將時(shí)，將使使ID進(jìn)一步增加。進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，時(shí)，隨著隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)。對(duì)應(yīng)應(yīng)ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)稱為夾斷電壓，用符號(hào)VG

9、S(off)表示，表示，有時(shí)也用有時(shí)也用VP表示。表示。N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖性曲線如圖15.9.5(b)所示。所示。 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖15.9.5(a)所示，它是在柵極下方的所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正時(shí)，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移

10、特性曲線 圖15.9.5 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu) 和轉(zhuǎn)移特性曲線 VGS(off) (3)(3)P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET P溝道溝道MOSFET的工作原理與的工作原理與N溝道溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有同雙極型三極管有NPN型和型和PNP型一樣。型一樣。15.9.2 15.9.2 雙極型和場(chǎng)效型晶體管的比較雙極型和場(chǎng)效型晶體管的比較 雙極型三極管 場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu) NPN型 結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型

11、N溝道 P溝道 C與E一般不可倒置使用 D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子 多子擴(kuò)散少子漂移 多子輸入量 電流輸入 電壓輸入控制 電流控制電流源CCCS() 電壓控制電流源VCCS(gm) 雙極型三極管 場(chǎng)效晶體管噪聲 較大 較小溫度特性 受溫度影響較大 較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻 幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上靜電影響 不受靜電影響 易受靜電影響集成工藝 不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析（1）自）自偏壓電路偏壓電路（2）分壓式自）分壓式自偏壓電路偏壓電路vGSvGSvGSvGSvGSVGS = IDRsSV GSVGVDDg2g1g2VRRR sRID15.9.3 場(chǎng)效