17 場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

1、3.2.3 場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路3.2.3.1場(chǎng)效應(yīng)管（FET）1.場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管誕生于20世紀(jì)60年代，它主要具有以下特點(diǎn)：它幾乎僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，故又稱為單級(jí)型晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路的電流，并以此命名。輸入回路的內(nèi)阻高達(dá)107-1012；另外還具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、耗電小，體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型和絕緣柵型兩種不同的結(jié)構(gòu)，下面分別加以介紹。 2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）有N溝道和P溝道兩種類型，圖3-62(a)

2、所示為它們的符號(hào)。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖3-62(b)所示。它在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個(gè)高摻雜的P區(qū)，并將它們連接在一起，引出電極，稱為柵極G；N型半導(dǎo)體的兩端分別引出兩個(gè)電極，一個(gè)稱為漏極D，一個(gè)稱為源極S。P區(qū)與N區(qū)交界面形成耗盡層，漏極與源極間的非耗盡層區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道。 (a)符號(hào) (b)N溝道管的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-62 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理為使N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，應(yīng)在其柵-源之間加負(fù)向電壓（即）,以保證耗盡層承受反向電壓；在漏-源之間加正向電壓,以形成漏極電流。下面通過柵-源電壓和漏-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的影響，來說明管子的工作原理。當(dāng)=0V

3、（即D、S短路）時(shí)，對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用 當(dāng)=0V時(shí)，耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬，如圖3-63(a)所示。 當(dāng)增大時(shí)，耗盡層加寬，溝道變窄（圖(b)所示），溝道電阻增大。 當(dāng)增大到某一數(shù)值時(shí)，耗盡層閉合，溝道消失（圖(c)所示）,溝道電阻趨于無窮大，稱此時(shí)的值為夾斷電壓。(a) = 0V (b) << 0V (c) 圖3-63 =0V時(shí)對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用當(dāng)為夾斷電壓至 0 V中某一固定值時(shí)，對(duì)漏極電流的影響(a) > 0V (b) = (c) <圖3-64 <<0且>0的情況若=0V時(shí)，則雖有導(dǎo)電溝道存在，但多子不會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，因而漏極電流為0.若&

4、gt;0V時(shí)，則有電流從漏極流向源極，從而使溝道中各點(diǎn)的電位與柵極電位不再相等，而是沿溝道從源極到漏極逐漸升高，造成靠近漏極一邊的耗盡層比靠近源極一邊的寬，見圖3-64(a)所示。 若增大，則電流將隨的增大而線性增大；D-S間呈現(xiàn)電阻特性，但阻值隨柵-源電壓確定。 若的增大使等于，則漏極一邊的耗盡層就會(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)，（見圖(b)所示），稱=為予夾斷。若繼續(xù)增大，則<（注意：和均為負(fù)值，即），耗盡層閉合部分將沿溝道方向延伸，即夾斷區(qū)加長(zhǎng)，見圖(c)所示。這時(shí)，一方面電流所受阻力加大，只能從夾斷區(qū)的窄縫以較高速度通過，從而導(dǎo)致減??；另一方面，隨著的增大，使漏-源間的縱向電場(chǎng)增強(qiáng)，也必然導(dǎo)致增大

5、。實(shí)際上，上述的兩種變化趨勢(shì)相抵消，使 幾乎不變，表現(xiàn)出的恒流特性。這時(shí)，僅僅決定于。當(dāng)<時(shí)，對(duì)的控制作用由于對(duì)導(dǎo)電溝道有控制作用，因此漏極電流必受受柵-源電壓的控制，可以通過改變來控制的大?。还史Q場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件。與晶體管用來描述動(dòng)態(tài)情況下基極電流對(duì)集電極電流的控制作用相類似，場(chǎng)效應(yīng)管用來描述動(dòng)態(tài)的柵-源電壓對(duì)漏極電流的控制作用，稱為低頻跨導(dǎo)。 (3-75) 綜合以上討論可知：在>時(shí)，未出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)于不同的，D-S間等效成不同阻值的電阻。當(dāng)增大使=時(shí)，D-S之間予夾斷。當(dāng)繼續(xù)增大，夾斷區(qū)加長(zhǎng)時(shí)，漏極電流幾乎僅僅決定于。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線描述

6、當(dāng)柵-源電壓為常量時(shí)，漏極電流與漏-源電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即 （3-76）對(duì)應(yīng)于每一個(gè)，都有一條曲線，因此輸出特性為一族曲線，如圖3-65所示。圖3-65 場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)工作區(qū)域：可變電阻區(qū)（或非飽和區(qū)）：圖中的虛線為予夾斷軌跡，它是各條曲線上使=的點(diǎn)連接而成的。予夾斷軌道的左邊區(qū)域稱為可變電阻區(qū)，該區(qū)域中曲線近似為不同斜率的直線。當(dāng)確定時(shí)，直線的斜率也唯一地被確定，直線斜率的倒數(shù)為D-S間等效電阻。因而在此區(qū)域中，可以通過改變的大小（即壓控的方式）來改變漏-源電阻的阻值，故稱之為可變電阻區(qū)。橫流區(qū)（或飽和區(qū)）：圖中予夾斷軌跡的右邊區(qū)域?yàn)闄M流區(qū)。當(dāng)<時(shí)，各曲線近似為一族

7、橫軸的平行線。當(dāng)增大時(shí)，僅略有增大。因而可將近似為電壓控制的電流源，故稱該區(qū)域?yàn)闄M流區(qū)。利用場(chǎng)效應(yīng)管作放大管時(shí)，應(yīng)使其工作在該區(qū)域。夾斷區(qū)：當(dāng)<時(shí)（和均為負(fù)值），導(dǎo)電溝道被夾斷，0，即圖中靠近橫軸的部分，稱為夾斷區(qū)。一般將使等于某一個(gè)很小電流（如5微安）時(shí)的定義為夾斷電壓。另外，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，漏極電流會(huì)驟然增大，管子將被擊穿。由于這種擊穿是因柵-漏間耗盡層破壞而造成的，因而若柵-漏擊穿電壓為,則漏-源擊穿電壓=-,所以當(dāng)增大時(shí)，漏-源擊穿電壓將增大，如圖3-65所示。轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線描述當(dāng)漏-源電壓為常量時(shí)，漏極電流與柵-源電壓之間的函數(shù)關(guān)系，即 （3-77）當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒

8、流區(qū)時(shí)，由于輸出特性曲線可近似為橫軸的一組平行線，所以可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替橫流區(qū)的所有曲線。在輸出特性曲線的橫流區(qū)中作橫軸的垂線，讀出垂線與各曲線交點(diǎn)的坐標(biāo)值，建立、坐標(biāo)系，連接各點(diǎn)所得曲線就是轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖3-66所示?？梢?，轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3-66 場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線根據(jù)半導(dǎo)體物理中，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部載流子的分析可以得到橫流區(qū)中與的關(guān)系式為 (3-78)式中為=0時(shí)的，稱為漏極飽和電流。應(yīng)當(dāng)指出，為保證結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵-源間的耗盡層加反向電壓，N溝道管的0V，P溝道管的0V；而且，當(dāng)管子工作在可變電阻區(qū)時(shí)，對(duì)于不同的，轉(zhuǎn)移特性曲線將有很大差別。3.絕緣

9、柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，由此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱為MOS管。它的柵-源間電阻比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的大的多，可達(dá)1010以上，還因?yàn)樗冉Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時(shí)工藝簡(jiǎn)單，而廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，MOS管也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類型為：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管，P溝道增強(qiáng)型管、P溝道耗盡型管。凡柵-源電壓為零時(shí)，漏極電流也為零的管子，均屬于增強(qiáng)型管；凡柵-源電壓為零時(shí)，漏極電流不為零的管子，均屬于耗盡型。下面討論它們的

10、管子原理和特性。N溝道增強(qiáng)型MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖3-67(a)所示,(b)為N溝道和P溝道兩種增強(qiáng)型管子的符號(hào)。(a)結(jié)構(gòu)示意圖 （b）符號(hào)圖3-67 N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及增強(qiáng)型MOS的符號(hào)它以一塊低摻雜的P型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜的N區(qū)，并引出兩個(gè)電極，分別為源極s和漏極d，半導(dǎo)體之上制作一層SiO2絕緣層，再在SiO2之上制作一層金屬鋁，引出電極，作為柵極g。通常將襯底與源極接在一起使用。柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板，中間是絕緣層，形成電容。當(dāng)柵-源電壓變化時(shí)，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小

11、?？梢?，MOS管與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理與電流控制原理均不相同。N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理當(dāng)柵-源之間不加電壓時(shí)(注意：襯底與源極是接在一起的)，漏-源之間是兩只背向的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，因此即使漏-源之間加電壓，也不會(huì)有漏極電流。當(dāng)=0且>0時(shí)，由于SiO2的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬鋁層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層，如圖3-68(a)所示。 當(dāng)增大時(shí)，一方面耗盡層增寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層，如圖（b）所示。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道。使溝

12、道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓。愈大，反型層愈厚，導(dǎo)電溝道電阻愈小。(a)耗盡層的形成 (b)導(dǎo)電溝道（反型層）的形成圖3-68 =0時(shí)對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（a）時(shí) （b）時(shí) （c）時(shí)圖3-69 為大于的某一值時(shí)對(duì)的影響 當(dāng)是大于的一個(gè)確定值時(shí)，若在漏-源之間加正向電壓，則將產(chǎn)生一定的漏極電流。此時(shí)，的變化對(duì)導(dǎo)電溝道的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。即當(dāng)較小時(shí)，隨的增大使線性增大，導(dǎo)電溝道沿源-漏方向逐漸變窄，如圖3-69(a)所示；當(dāng)增大到使=時(shí)，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱為予夾斷，如圖(b)所示；如果繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng)，如圖(c)所示。而且，的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力

13、。從外部看，幾乎不因的增大而變化，管子進(jìn)入橫流區(qū)，幾乎僅決定于。在>-時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)就有一個(gè)確定的。此時(shí)，可將視為電壓控制的電流源。特性曲線與電流方程(a)轉(zhuǎn)移特性 (b)輸出特性圖3-70 N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線圖3-70(a)和(b)分別為N溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，它們之間的關(guān)系見圖中標(biāo)注。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一樣，MOS管也有三個(gè)工作區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)及夾斷區(qū)，如圖中所標(biāo)注。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類似，與的近似關(guān)系式為 （3-79）其中，是=2時(shí)的。N溝道耗盡型MOS管N溝道耗盡型MOS管的工作原理如果在制作MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入大量正離子，那

14、么即使=0，在正離子作用下P型襯底表層也存在反型層，即漏-源之間存在導(dǎo)電溝道。只要在漏-源間加正向電壓，就會(huì)產(chǎn)生漏極電流，如圖3-71(a)所示。當(dāng)為正時(shí)，反型層變寬，溝道電阻變小，增大；當(dāng)為負(fù)時(shí)，反型層變窄，溝道電阻變大，減??；而當(dāng)從零減小到一定值時(shí)，反型層消失，漏-源之間導(dǎo)電溝道消失，=0.此時(shí)的稱為夾斷電壓。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓也為負(fù)值。但是，前者只能在< 0的情況下工作，而后者的可以在正、負(fù)值的一定范圍內(nèi)控制，且仍保證柵-源之間有非常大的絕緣電阻。N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型的不同之處，主要是在在SiO2絕

15、緣層中摻入大量正離子，并在P型襯底表層存在反型層（即導(dǎo)電溝道）。耗盡型MOS管的符號(hào)見圖3-71(b)所示。(a)示意圖 (b)符號(hào)圖3-71 N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)P溝道MOS管與N溝道MOS管相對(duì)應(yīng)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓< 0,當(dāng)<時(shí)管子才導(dǎo)通，漏-源之間應(yīng)加負(fù)電源電壓；P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓>0，可在正負(fù)值的一定范圍內(nèi)控制，漏-源之間也應(yīng)加負(fù)電壓。應(yīng)當(dāng)指出，如果MOS管的襯底不與源極相連接，則襯-源之間電壓必須保證襯-源間的PN結(jié)反向偏置。因此，N溝道管的應(yīng)小于0，而P溝道管的應(yīng)大于0.此時(shí)，導(dǎo)電溝道寬度將受和雙重控制，使開啟電壓或夾斷電

16、壓的數(shù)值增大。比較而言，N溝道管受的影響更大些。3.2.3.1場(chǎng)效應(yīng)管（FET）4.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)開啟電壓：是在漏-源電壓為一常數(shù)時(shí)，使漏極電流大于0所需的最小柵-源電壓的值。手冊(cè)中給出的是在漏-源電流為規(guī)定的微小電流（如5）時(shí)的柵-源電壓值。夾斷電壓：與開啟電壓類似，夾斷電壓是在漏-源電壓為常量情況下，使漏極電流為規(guī)定的微小電流（如5）時(shí)的柵-源電壓。飽和漏極電流：對(duì)于結(jié)型管，在柵-源電壓=0V。情況下，產(chǎn)生予夾斷時(shí)的漏極電流定為飽和漏極電流。直流輸入電阻：直流輸入電阻等于柵-源電壓與柵極電流之比。結(jié)型管的直流輸入電阻大于107，MOS管的大于109.手冊(cè)中一般只給出柵極電流的大

17、小。交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)：數(shù)值的大小表示柵-源電壓對(duì)漏極電流控制的強(qiáng)弱。當(dāng)管子工作在橫流區(qū)且漏-源電壓為常量的條件下，的微小變化量與引起它變化的柵-源電壓變化量之比，稱為低頻跨導(dǎo)。即 （3-80）的單位是S（西門子）。極間電容：場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極之間均存在極間電容。通常柵-源電容和柵-漏電容約為1-3pF，漏-源電容約為0.1-1pF。在高頻電路中，應(yīng)考慮極間電容的影響。管子的最高工作頻率是綜合考慮了三個(gè)電容的影響而確定的工作頻率的上限。極限參數(shù)最大漏極電流：是管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。擊穿電壓：管子進(jìn)入橫流區(qū)后，使驟然增大的稱為漏-源擊穿電壓,超過此值會(huì)使管子損壞。 對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，使柵

18、極與溝道間PN結(jié)反向擊穿的為柵-源擊穿電壓；對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，使絕緣層擊穿的為柵-源擊穿電壓。最大耗散功率:場(chǎng)效應(yīng)管的耗散功率=.，這些耗散在管子中的功率將變?yōu)闊崮埽构茏拥臏囟壬?。為了限制管子的溫度不要升的太高，就要限制它的耗散功率不能超過最大值，否則管子會(huì)被燒壞。顯然，最大耗散功率受管子的最高工作溫度限制。另外，需要說明的是：對(duì)于MOS管，柵-襯之間的電容容量很小，只要有少量的感應(yīng)電荷就可產(chǎn)生很高的電壓。而由于直流輸入電阻很大，感應(yīng)電荷難以釋放，以至于感應(yīng)電荷所產(chǎn)生的高壓使很薄的絕緣層擊穿，造成管子損壞。因此，無論是在存放還是在工作電路中，都應(yīng)為柵-源之間提供直流通路，避免柵極懸空；同時(shí)在焊接時(shí)，要將電烙鐵良好接地。5.場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d對(duì)應(yīng)于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c，它們的作用相類似。場(chǎng)效應(yīng)管用柵-源電壓控制漏極電流，柵極基本不取電流。而晶體管工作時(shí)，基極總要索取一定的電流。因此，要求輸入電阻高的電路，因選用場(chǎng)效應(yīng)管；而若信號(hào)源提供一定的電流，則可選晶體管。場(chǎng)