場(chǎng)效應(yīng)管課件

第5章場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor）及其放大器FET：利用電場(chǎng)效應(yīng)控制其電流的正向受控器件特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，輸入阻抗高（107Ω以上）

MOS型（金屬-氧化物-半導(dǎo)體Metal-Oxide-SemiconductorFET或MOSFET）結(jié)型（JunctionFET，或JFET）分類內(nèi)容:（1）場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性和模型

（2）場(chǎng)效應(yīng)管放大器（直流偏置電路，小信號(hào)分析）第5章場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTr5.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型(EnhancementMOS或EMOS)耗盡型(DepletionMOS或DMOS)N溝道(Channel)P溝道分類導(dǎo)電類型5.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管N溝道(Channel)分類導(dǎo)電類一、N溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管1、結(jié)構(gòu)一、N溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管2、工作原理工作條件：PN結(jié)必須反偏（含零偏），源極一般與襯底相連，所以VDS必須為正值。工作過程:(1)溝道的形成①2、工作原理(1)溝道的形成①②VGS>0→指向襯底的電場(chǎng)→吸引電子,排斥空穴→空間電荷(b圖)②VGS>0→指向襯底的電場(chǎng)→吸引電子,排斥空穴→空間電荷③VGS↑→電子薄層→N+NN+→導(dǎo)電溝道(N)(c圖)開始形成溝道的VGS為開啟電壓—VGS(th)④VGS↑→溝道寬度↑→導(dǎo)電能力↑→ID↑③VGS↑→電子薄層→N+NN+→導(dǎo)電溝道(N)(c(2)VDS對(duì)溝道的控制(VGS>VGS(th))①VDS>0(很小),ID隨VDS線性增加(2)VDS對(duì)溝道的控制(VGS>VGS(th)②VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極溝道深度變窄→電阻↑→ID上升斜率↓→ID增加緩慢②VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極溝道深度變窄→電阻↑→VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS(th)→近漏極端的電子層消失→溝道預(yù)夾斷(A)VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS④VDS再增大，電壓的大部分將降落在夾斷區(qū)(此處電阻大)，而對(duì)溝道的橫向電場(chǎng)影響不大，溝道電壓也從此基本恒定下來。所以隨VDS的增大，ID基本恒定，從此進(jìn)入恒流區(qū)。

(3)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDS↑→A點(diǎn)略左移→溝道長(zhǎng)度↓→電阻↓→ID↑(略)④VDS再增大，電壓的大部分將降落在夾斷區(qū)(此處電阻大)，而3.伏安特性(共源)輸出特性它與NPN型晶體三極管共發(fā)射極的輸出特性相似，它也分為恒流區(qū)(飽和區(qū))、可變電阻區(qū)(非飽和區(qū))、截止區(qū)和擊穿區(qū)。1.非飽和區(qū)預(yù)夾斷前VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)3.伏安特性(共源)1.非飽和區(qū)ID同時(shí)受VGS、VDS控制μn——溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；

Cox——單位面積柵極電容；

W——溝道寬度；

l——溝道長(zhǎng)度；W/l——MOS管的寬長(zhǎng)比。在MOS集成電路設(shè)計(jì)中，寬長(zhǎng)比是一個(gè)極為重要的參數(shù)。ID同時(shí)受VGS、VDS控制μn——溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；

簡(jiǎn)化:VDS很小，忽略二次項(xiàng)ID與VDS呈線性→電阻（受VGS控制）簡(jiǎn)化:VDS很小，忽略二次項(xiàng)ID與VDS呈線性2.飽和區(qū)(放大區(qū)、恒流區(qū)）預(yù)夾斷后，VGS>VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)·曲線平坦，VGS對(duì)ID控制能力強(qiáng)。·VDS對(duì)ID的控制能力弱。2.飽和區(qū)(放大區(qū)、恒流區(qū)）正向受控作用：VGS控制ID平方律關(guān)系→轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線主要特點(diǎn)為：(1)當(dāng)VGS<VGS（th）時(shí)，ID=0。(2)當(dāng)VGS>VGS（th）時(shí)，ID>0，VGS越大，ID也隨之增大，二者符合平方律關(guān)系，正向受控作用：VGS控制ID平方律關(guān)系→轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線計(jì)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)計(jì)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)3.截止區(qū)：VGS≤VGS（th），導(dǎo)電溝道未形成，ID=0。4.擊穿區(qū)VDS↑→PN結(jié)雪崩擊穿→ID↑↑VGS過大→SiO2絕緣層的擊穿（永久性損壞）3.截止區(qū)：VGS≤VGS（th），導(dǎo)電溝道未形成，ID=0二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)

1、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型N溝道MOSFET在VGS=0時(shí)，管內(nèi)沒有導(dǎo)電溝道。而耗盡型則不同，它在VGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)檫@種器件在制造過程中，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柵壓一樣，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，稱為原始導(dǎo)電溝道。P溝道N溝道二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFE2、伏安特性輸出特性曲線（a）和轉(zhuǎn)移特性曲線（b）2、伏安特性

由于VGS=0時(shí)就存在原始溝道，所以只要此時(shí)VDS>0，就有漏極電流。如果VGS>0,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。反之，若VGS<0，則柵壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與正離子產(chǎn)生的自建電場(chǎng)方向相反，總電場(chǎng)減弱，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)VGS繼續(xù)變負(fù)，等于某一閾值電壓時(shí)，溝道將全部消失，ID=0，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。相應(yīng)的VGS稱為夾斷電壓VGS(th)。第5章場(chǎng)效應(yīng)管課件5.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)簡(jiǎn)稱JFET，有N溝道JFET和P溝道JFET之分。下圖給出了JFET的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)。N溝道P溝道源極和漏極是可以互換的。5.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管N溝道P溝道源極和漏極是可以互換的一、工作原理（以N溝道為例）工作條件：PN結(jié)反偏（含零偏），VGS為負(fù)→VDS為正1、VGS對(duì)ID的控制

因?yàn)闁旁措妷簽樨?fù)，PN結(jié)反偏，在柵源間僅存在微弱的反向飽和電流，所以柵極電流IG≈0，這就是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗很大的原因。(a)VGS=0，溝道最寬，ID最大；一、工作原理（以N溝道為例）1、VGS對(duì)ID的控制(b)VGS負(fù)壓增大，溝道變窄，ID減小；當(dāng)柵源負(fù)壓VGS加大時(shí)，PN結(jié)變厚，并向N區(qū)擴(kuò)張，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電導(dǎo)率變小，電阻變大，在同樣的VDS下，ID變?。?b)VGS負(fù)壓增大，溝道變窄，ID減??；當(dāng)柵源(c)VGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷，ID=0當(dāng)|VGS|加大到某一負(fù)壓值時(shí)，兩側(cè)PN結(jié)擴(kuò)張使溝道全部消失，此時(shí)，ID將變?yōu)榱?。稱此時(shí)的柵源電壓VGS為“夾斷電壓”，記為VGS（off）。JFET最重要的工作原理：柵源電壓VGS的變化，有效地控制漏極電流的變化。

(c)VGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷，ID=02、VDS對(duì)ID的控制（1）VDS＞0（較小）→ID隨VDS線性增加（2）VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極反偏電壓最大→PN結(jié)↑→溝道寬度↓→電阻↑→ID增加緩慢（a）圖2、VDS對(duì)ID的控制（1）VDS＞0（較?。鶬D隨VDS（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏區(qū)的PN結(jié)變厚，當(dāng)VGD=VGS（off）→溝道在漏極附近被局部夾斷(稱為預(yù)夾斷)，如圖(b)所示。（4）VDS再增大，電壓主要降到局部夾斷區(qū)，而對(duì)整個(gè)溝道的導(dǎo)電能力影響不大。所以VDS的變化對(duì)ID影響很小。預(yù)夾斷點(diǎn)：（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏區(qū)的PN結(jié)變厚，當(dāng)VGD=V二、伏安特性曲線1.非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）

當(dāng)VDS很小，VDS<VGS-VGS（off）時(shí)，即預(yù)夾斷前如圖(a)所示，VDS的變化直接影響整個(gè)溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響ID的大小。所以在此區(qū)域，隨著VDS的增大，ID增大很快。受VGS控制的線性電阻二、伏安特性曲線1.非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）受VGS控制的線2.恒流區(qū)（飽和區(qū)）

恒流區(qū)相當(dāng)于雙極型晶體管的放大區(qū)。其主要特征為：當(dāng)VGSoff<VGS<0時(shí)，ID與VGS符合平方律關(guān)系，VGS對(duì)ID的控制能力很強(qiáng)。轉(zhuǎn)移特性和轉(zhuǎn)移特性曲線（圖b）IDSS——飽和漏電流，表示VGS=0且預(yù)夾斷時(shí)的ID值；2.恒流區(qū)（飽和區(qū)）轉(zhuǎn)移特性和轉(zhuǎn)移特性曲線（圖b）IDSS—3.截止區(qū)當(dāng)VGS<VGS(off)|時(shí)，溝道被全部夾斷，ID=0，故此區(qū)為截止區(qū)。若利用JFET作為開關(guān)，則工作在截止區(qū)，即相當(dāng)于開關(guān)打開。4.擊穿區(qū)隨著VDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓VDG(=VDS-VGS)也隨之增大，PN結(jié)雪崩擊穿，ID劇增。3.截止區(qū)三、各種類型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比下圖給出各種N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓VGS不同。三、各種類型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比(a)轉(zhuǎn)移特性各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比(b)輸出特性各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓VGS不同。(b)輸出特性5.3場(chǎng)效應(yīng)管放大器一、偏置電路零偏壓自偏壓分壓式分壓式偏置適用于各種場(chǎng)效應(yīng)管；自偏置和零偏置不適用增強(qiáng)型MOS管；零偏壓電路熱穩(wěn)定性差。5.3場(chǎng)效應(yīng)管放大器零偏壓自偏壓分壓式分壓式偏置適用于各種分析方法用兩種辦法確定直流工作點(diǎn)，一種是圖解法，另一種是解析法。聯(lián)立求解，