場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

1、323場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路場(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(chēng)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(lái)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 Q;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(lèi)型，圖3-62（a）所示為它們

2、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(chēng)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(chēng)為漏極 D, 個(gè)稱(chēng)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(chēng)為導(dǎo)電溝道。N冏道P溝道符號(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U GS ”： 0 ）,以保 證耗盡層承受反向電壓；在漏 -源之間加正向電壓 uDS,以形成漏極電流iD。下面通過(guò)柵-源 電壓Ugs和漏-源電壓U

3、ds對(duì)導(dǎo)電溝道的影響，來(lái)說(shuō)明管子的工作原理。 當(dāng)Uds=0V （即卩D、S短路）時(shí)，Ugs對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用i當(dāng)Ugs=OV時(shí)，耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬，如圖3-63（a）所示。（c）所示）,溝道電阻趨于無(wú)ii當(dāng)Ugs增大時(shí)，耗盡層加寬，溝道變窄（圖 （b）所示），溝道電阻增大。說(shuō)當(dāng)UGS增大到某一數(shù)值時(shí)，耗盡層閉合，溝道消失（圖窮大，稱(chēng)此時(shí)Ugs的值為夾斷電壓U GS（off ）。dN PlS Ugs= 0V(b)U GS(off) Ugs 0V (b)Ugd =U GS(off )(C)Ugd U GS(off)0.圖 3-64 U gs(off) Ugs 0 的情況i若Uds=0V時(shí)，

4、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ii若UdsOV時(shí)，則有電流iD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(jiàn)圖3-64(a)所示。說(shuō)若Uds增大，則電流iD將隨Uds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UGS確定。卜若Uds的增大使Ugd等于U GS(off)，則漏極一邊的耗盡層就會(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)，(見(jiàn)圖(b)所示)，稱(chēng)Ugd=Ugs5)為予夾斷。v若Uds繼續(xù)增大，則Ugd U GS (off) (注意：Ugd和U GS(off) 均為負(fù)值，即 Ugd|

5、A|UGS(Off)，耗盡層閉合部分將沿溝道方向延伸，即夾斷區(qū)加長(zhǎng)，見(jiàn)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(guò)，從而導(dǎo)致iD減小；另一方面，隨著Uds的增大，使漏-源間的縱向電場(chǎng)增強(qiáng)，也必然導(dǎo)致iD增大。實(shí)際上，上述iD的兩種變化趨勢(shì)相抵消，使iD幾乎不變，表現(xiàn)出iD的恒流特性。這時(shí)，iD僅僅決定于UGS。當(dāng)UGDUGS(off)時(shí)，未出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)于不同的Ugs , D-S間等效成不同阻值的電 阻。ii當(dāng)Uds增大使Ugd =U GS(off)時(shí)，D-S之間予夾斷。iii當(dāng)Uds繼續(xù)增大，夾斷區(qū)加長(zhǎng)時(shí)，漏極電流iD幾乎僅僅決定于Ugs。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特

6、性曲線 輸出特性曲線iDf數(shù)(3-76 )輸出特性曲線描述當(dāng)柵-源電壓為常量時(shí)，漏極電流iD與漏-源電壓UDS之間的函數(shù)關(guān)系，即對(duì)應(yīng)于每一個(gè)Ugs，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：i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UGD =U GS（off）的點(diǎn)連接而成的。予夾斷軌道的左邊區(qū)域稱(chēng)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)UGS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(guò)改變Ugs的大小（即壓控的方式）來(lái)改變漏 -源電阻

7、的阻值，故稱(chēng)之為可變電阻區(qū)。ii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)UGDUGs（off）時(shí)，各曲線近似為一族橫軸的平行線。當(dāng)uDS增大時(shí)，iD僅略有增大。因而可將iD近似為電壓UGS控制的電流源，故稱(chēng)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。iii夾斷區(qū)：當(dāng)UGs 0V;而且，當(dāng)管子工作在可變電阻區(qū)時(shí)，對(duì)于不同的Uds，轉(zhuǎn)移特性曲線將有很大差別。3.絕緣柵型場(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(chēng)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)101Q以上，還

8、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，MOSt也有N溝道和P溝道兩類(lèi)，但每一類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此 MOS管的四種類(lèi)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Ugs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Ugs為零時(shí)，漏極電流不為零的管子，均屬于耗盡型。下面討論它們的管子原理和特 性。N溝道增強(qiáng)型 MOSfN溝道增強(qiáng)型 MOSf的結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型 MOSf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)。0 dQ gdo

9、 s ?1Jl0OE0 d J I OBSOOsF溝道(b)符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖圖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?？梢?jiàn)，MOST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

10、工作原理i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。ii當(dāng)Uds=0且Ugs0時(shí)，因?yàn)镾iO2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。iii當(dāng)Ugs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(chēng)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。使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓 UGS（th）。UGS愈

11、大，反型層愈厚， 導(dǎo)電溝道電阻愈小。1b*（a）耗盡層的形成（b）導(dǎo)電溝道（反型層）的形成圖3-68 U ds =0時(shí)U gs對(duì)導(dǎo)電溝道的影響dS1F 耗懇層d(a) uds U gs _ U GS(th)時(shí)(b) Uds u gs _u Gs(th)時(shí)(c) uds u g _ u Gs(th)時(shí)圖3-69 u GS為大于U GS（th）的某一值時(shí)U DS對(duì)I D的影響iv當(dāng)Ugs是大于U GS（th）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)，Uds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)Uds較小時(shí)，隨Uds的增大使Id線性增大，導(dǎo)電溝道沿源-漏方向逐漸

12、變窄，如圖3-69（a）所示；當(dāng)Uds增大到使UGD=UGS（th）時(shí)，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱(chēng)為予夾斷，如圖（b）所示；如果Uds繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng)，如圖（C）所示。而且，Uds的增大部分幾乎全部用于克服夾斷乎僅決定于uGS。在U DS UgS - U GS(th)時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)UgS就有一個(gè)確定的i D。此時(shí)，可將i D視為電壓Ugs控制的電流源。 特性曲線與電流方程(b)輸出特性(a)轉(zhuǎn)移特性圖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(jiàn)圖中標(biāo)注。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一樣，MOS管也有三個(gè)

13、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(lèi)似，iD與uGS的近似關(guān)系式為iDdo(罟 -1)2U GS(th)(3-79)其中，1 DO 是 UGS =2U GS(th)時(shí)的 i D。N溝道耗盡型 MOStN溝道耗盡型MOS管的工作原理如果在制作MOSf時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入大量正離子， 那么即使uGS=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)ugs為正時(shí)，反型層變寬，溝道電阻變小，iD增大；當(dāng)ugs為負(fù)時(shí)，反型層變窄，溝道電阻變大，iD減??；而當(dāng)Ugs從

14、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，iD=0.此時(shí)的Ugs稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off)。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOSt的夾斷電壓也為負(fù)值。但是，前者只能在Ugs 0的情況下工作，而后者的Ugs可以在正、負(fù)值的一定范圍內(nèi)控制iD，且仍保證柵-源之間有非常大的絕緣電阻。N溝道耗盡型MOSf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(jiàn)圖3-71(b)所示。0 d耗盡型N溝道管耗盡型P溝道管(a)示意圖(b)符號(hào)圖3-71 N溝道耗盡型MOS管結(jié)

15、構(gòu)示意圖及符號(hào)與N溝道MOS管相對(duì)應(yīng),P溝道MOSfP溝道增強(qiáng)型 MOSf的開(kāi)啟電壓U GS(th) 0,當(dāng)Ugs0, UGS可在正負(fù)值的一定范圍內(nèi)控制 iD，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uBS必須保證襯-源間 的PN結(jié)反向偏置。因此，N溝道管的Ubs應(yīng)小于0,而P溝道管的Ubs應(yīng)大于0.此時(shí)，導(dǎo)電溝道寬度將受Ugs和Ubs雙重控制，Ubs使開(kāi)啟電壓或夾斷電壓的數(shù)值增大。比較而言，N溝道管受Ubs的影響更大些。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(kāi)啟電壓UGS(th)： U GS(th)是在漏-源電壓Uds為一常數(shù)時(shí)，使漏極電

16、流iD大于0所需的最小柵-源電壓Ugs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5AA ）時(shí)的柵-源電壓值。夾斷電壓U GS（off）：與開(kāi)啟電壓類(lèi)似，夾斷電壓U GS（off）是在漏-源電壓Uds為常量情況下，使漏極電流iD為規(guī)定的微小電流（如 5 3 ）時(shí)的柵-源電壓Ugs。 飽和漏極電流Idss :對(duì)于結(jié)型管，在柵-源電壓Ugs=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Idss。 直流輸入電阻Rgs（dc）:直流輸入電阻 Rgs（dc）等于柵-源電壓與柵極電流之比。結(jié)型 管的直流輸入電阻 Rgs（dc）大于IO%，MOS管的Rgs（dc）大于10% 手冊(cè)中一般只給出

17、柵極 電流的大小。交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)gm : gm數(shù)值的大小表示柵-源電壓Ugs對(duì)漏極電流iD控制的強(qiáng)弱。當(dāng)管子工作在橫流區(qū)且漏-源電壓Uds為常量的條件下,i D的微小變化量.: iD與引起它變化的柵-源電壓變化量.：Ugs之比，稱(chēng)為低頻跨導(dǎo)。即gm%心Ugs U ds=常量(3-80 )gm的單位是S （西門(mén)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CGS和柵-漏電容CGD約為1-3pF，漏-源電容CDS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 fM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)擊穿電壓：管子進(jìn)入橫流區(qū)后

18、，使最大漏極電流Idm : Idm是管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。i D驟然增大的Uds稱(chēng)為漏-源擊穿電壓U（br）ds對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，使柵極與溝道間Uds超過(guò)此值會(huì)使管子損壞。PN結(jié)反向擊穿的ugs為柵-源擊穿電壓U（br）gs ；最大耗散功率 PDM :場(chǎng)效應(yīng)管的耗散功率 PDM =uDS. iD ，這些耗散在管子中的功率將 變?yōu)闊崮埽?使管子的溫度升高。 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(guò)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(shuō)明的是：對(duì)于 MOSt,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。而因?yàn)橹绷鬏斎腚娮鑂GS( DC )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(wú)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(lèi)似。場(chǎng)效應(yīng)管用柵-源電壓Ugs控制漏極電流iD，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)效應(yīng)管幾乎只有多子參與