模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),清華大學(xué)出版第3章 場(chǎng)效應(yīng)管

1、3 3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路 3.2 3.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.1 3.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3 3.3 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)FET( (Field Effect Transistor )，其主，其主要特點(diǎn)：要特點(diǎn)：(a) 輸入電阻高，可達(dá)輸入電阻高，可達(dá)107 1015W W。(b) 起導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子，又稱(chēng)為單極型晶體管。起導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子，又稱(chēng)為單極型晶體管。(c) 體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)。體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)。(d) 噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)

2、單。噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單。(e) 在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。3.1 3.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 3.1.1 3.1.1 JFETJFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 3.1.2 JFET3.1.2 JFET的特性曲線的特性曲線 3.1.3 JFET3.1.3 JFET的主要電參數(shù)的主要電參數(shù) 3.1.1 JFET3.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)構(gòu) 圖示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)中的箭頭，表示由P區(qū)指向N區(qū)。2、工作原理（1）當(dāng)柵源電壓uGS=0時(shí)，兩個(gè)PN

3、結(jié)的耗盡層比較窄，中間的N型導(dǎo)電溝道比較寬，溝道電阻小，如圖所示。（2）當(dāng)uGS0時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)的耗盡層變寬，中間的N型導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，溝道導(dǎo)通電阻增大，如圖所示。 uGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓uGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS(off) 。對(duì)于N溝道的JFET， UGS(off) 0。 （3）當(dāng)UGS(off) 0時(shí)，可產(chǎn)生漏極電流iD。 iD的大小將隨柵源電壓uGS的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 uDS的存在，使得漏極附近的電位高，而源極附近的電位低，即沿N型導(dǎo)電溝道從漏極到源極形成一定的電位梯度，這樣靠近漏極附近的PN結(jié)所加的反向偏

4、置電壓大，耗盡層寬；靠近源極附近的PN結(jié)反偏電壓小，耗盡層窄，導(dǎo)電溝道成為一個(gè)楔形，如圖所示。 當(dāng)uDS增加到使uGD= UGS(off) 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)此時(shí)uDS 夾斷區(qū)延長(zhǎng)夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻溝道電阻 iD基本不變基本不變綜上所述，可得下述結(jié)論： （1）JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此其iG 約等于零，輸入電阻的阻值很高； （2）JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制； （3）預(yù)夾斷前，iD與uDS呈近似線性關(guān)系，預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。3.1.2 JFET的特性曲線的特性曲線const.DSDGS)(uufi1. 1. 輸出特性輸出特性 圖示即為N溝

5、道場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，它與NPN型三極管的輸出特性曲線相似，可以分為四個(gè)區(qū). 可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)各區(qū)的特點(diǎn)：（1）截止區(qū)（夾斷區(qū)）：當(dāng)uGS UGS(off) 時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷，iD=0稱(chēng)為截止區(qū)。 （2）可變電阻區(qū)：又稱(chēng)非飽和區(qū)，是預(yù)夾斷前的區(qū)域。此時(shí)溝道尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷，管子可以看作是一個(gè)由電壓控制的可變電阻。圖中左邊的一條虛線為預(yù)夾斷軌跡。當(dāng) ， 時(shí)，則N溝道JFET工作在可變電阻區(qū)，其伏安特性可表示為其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。 0)(GSoffGSuU)(offGSGSDSUuu)(22)(DSDSoffGSGSnDuuUuKi（3）恒流區(qū)：又稱(chēng)飽和區(qū)或放大區(qū)，是預(yù)夾斷后的區(qū)域

6、，管子漏極電流iD幾乎不隨uDS變化，主要由uGS決定。在此區(qū)域，場(chǎng)效應(yīng)管可以看作一個(gè)恒流源。利用場(chǎng)效應(yīng)管做放大管時(shí)，管子在此區(qū)域工作。 當(dāng) ， 時(shí)，JFET工作在飽和區(qū)，此時(shí)0)(GSoffGSuU)(offGSGSDSUuu2)()(offGSGSnDuuKi（4）擊穿區(qū)：當(dāng)uDS增大到一定程度時(shí)，柵漏極間PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD迅速增大。如果不加限制，管子將會(huì)電擊穿。管子不允許在此區(qū)域工作。 2. 2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 const.GSDDS)(uufi)0 () 1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuuUUIi 轉(zhuǎn)移特性反映了場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 當(dāng)

7、uGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道電阻最小，iD最大，稱(chēng)此電流為場(chǎng)效應(yīng)管的飽和漏極電流IDSS。 當(dāng)uGS= UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，溝道電阻最大，此時(shí)iD=0，稱(chēng)UGS(off)為夾斷電壓。1.直流參數(shù) (1)夾斷電壓UGS(off) (2)零偏漏極電流IDSS (3)直流輸入電阻RGS 2.交流參數(shù) (1)跨導(dǎo)gm (2)極間電容 3.1.3 JFET的主要電參數(shù)的主要電參數(shù) 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal）、氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）材料構(gòu)成的，因此又叫MOS管，可以用MOSFET表示。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，每一種又包括N溝道和P

8、溝道兩種類(lèi)型。 增強(qiáng)型和耗盡型的區(qū)別是：當(dāng)uGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為耗盡型，不存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為增強(qiáng)型。 3.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.2.1 N溝道增強(qiáng)型MOS管1.結(jié)構(gòu)與符號(hào) 符號(hào)中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），虛線表示增強(qiáng)型。 2. N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理 （1）uGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)uGSGS00時(shí)時(shí) 無(wú)導(dǎo)電溝道，無(wú)導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)當(dāng)00uGSGS U UT T 時(shí)時(shí) 在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。加電壓后，將有電流產(chǎn)生。 uGS

9、GS越大，導(dǎo)電溝道越厚越大，導(dǎo)電溝道越厚（2）uDS對(duì)iD的影響 iD隨隨uDS的增的增大而增大，可大而增大，可變電阻區(qū)變電阻區(qū) uGDUT,預(yù)夾預(yù)夾斷斷 iD幾乎僅僅幾乎僅僅受控于受控于uGS，恒，恒流區(qū)流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用的增大幾乎全部用來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻3.伏安特性曲線及大信號(hào)特性方程 MOSFET的輸出特性是指在柵源電壓uGS一定的條件下，漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系，即常數(shù)GSDSDuufi 該輸出特性曲線與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似，MOSFET有三個(gè)工作區(qū)域：可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。（1）截止區(qū)：當(dāng)uGSU

10、T時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。（2）可變電阻區(qū)：當(dāng)uDS（uGSUT）時(shí)， 其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。 )(2 2DSDSTGSnDuuUuKi（3）飽和區(qū)（又稱(chēng)恒流區(qū)或放大區(qū)）：當(dāng)uGS UT且uDS（uGSUT）時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí) 2TGSnD )(UuKi 由于飽和區(qū)內(nèi)， iD受uDS的影響很小，因此在飽和區(qū)內(nèi)不同uDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。其主要特點(diǎn)為：（1）當(dāng)uGS UT時(shí)，iD 0，uGS越大，iD也隨之增大，兩者符合平方律的關(guān)系。（1）結(jié)構(gòu)、符號(hào)與工作原理3.2.2 N溝道耗盡型MOS管 耗盡型在uGS =0

11、時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)橹圃爝^(guò)程中，在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na+或K+)，這些正離子的作用如同加正的柵源電壓并使uGS UT時(shí)相似，能在P型襯底表面產(chǎn)生垂直于襯底的自建電場(chǎng)，排斥空穴，吸引電子，從而形成表面導(dǎo)電溝道。 由于uGS=0時(shí)就存在原始溝道，所以只要此時(shí)uDS0，就有漏極電流iD。 如果uGS0，由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流，但指向襯底的電場(chǎng)加強(qiáng)，溝道變寬，漏極電流iD將會(huì)增大。 若uGS0，這樣既有可能使IDQRSUGQ，滿(mǎn)足N溝道JFET對(duì)UGSQ的要求（UGSQ0）；也有可能使IDQRSUT0的要求。由于耗盡型MOS管的UGSQ可“正”可“負(fù)

12、”，這種偏置電路總是適用的。 對(duì)于增強(qiáng)型FET：2)(TGSQnDQUUKISDQGGGDDGSQRIRRRUU212UDSQ=UDDIDQ（RS+RD） 3.3.2 場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路 下圖所示為兩種場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路，由此可求電路的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。3.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管組成的三種基本放大電路1.共源極放大電路 典型的共源極放大電路如下圖所示，右側(cè)為其微變等效電路。其中g(shù)m可以在求解該電路Q(chēng)點(diǎn)后，由右式求得。DQDSSGS(off)GS(off)GSQGS(off)DSS2)1 (2IIUUUUIgm可得上圖所示放大電路的電壓增益為 )/(LmgsLDgsmiouRgURRUgUUA輸入電阻為 GiiiRIUR輸出電阻為 DRUoRIURLS02.共漏極放大電路 共漏極放大電路又稱(chēng)源極輸出器，典型的共漏