第三章場(chǎng)效應(yīng)管及場(chǎng)效應(yīng)管放大器

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor）

一種壓控流型器件

單極型半導(dǎo)體器件

低噪聲、熱穩(wěn)定性好

易于大規(guī)模集成化龐大的“家族”場(chǎng)效應(yīng)管FET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFETN溝道MOSFETP溝道MOSFET增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFETN溝道JFETP溝道JFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理D(Drain)為漏極G(Gate)為柵極S(Source)為源極N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)虛線：增強(qiáng)型箭頭朝里：N溝道N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極。一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。結(jié)構(gòu)及工藝說(shuō)明工作原理1．柵源電壓VGS的控制作用

（1）當(dāng)VGS=0V時(shí)：漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流，D、S不通。

（2）當(dāng)柵極加有電壓但0＜VGS＜VGS(th)時(shí)：

因?yàn)闁艠O和襯底間的電容效應(yīng)，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)離子的耗盡層。因?yàn)閂GS不足夠大，無(wú)法形成導(dǎo)電溝道將漏極和源極溝通，所以D、S仍然不通。VGS<VGS(th)VDSVGS(th)---開啟電壓（3）當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)：會(huì)在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，形成溝道。如果此時(shí)加有漏源電壓VDS，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。

隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。VGS>VGS(th)VDSN溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm

的量綱為mA/V(mS)，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式:

gm=ID/VGSVDS=const

2．漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用

因?yàn)椋篤GD=VGS－VDS所以：當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，（VGD≈VGS)＞VGS(th)，溝道分布如右圖，此時(shí)VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響

當(dāng)VGS＞VGS(th)

且固定為某一值時(shí)，漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響如圖：當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，溝道如圖(b)，稱為預(yù)夾斷。當(dāng)VDS增加到VGDVGS(th)時(shí)，溝道如圖(c)，此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，ID趨于不變。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的

漏極輸出特性曲線當(dāng)VGS＞VGS(th)且固定為某一值時(shí)，VDS與ID的關(guān)系如下：N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管VGS>0時(shí)：反型層變寬，溝道電阻變小，iD增大。VGS<0時(shí)：反型層變窄，溝道電阻變大，iD減小。VGS=VGS(off)時(shí)：反型層消失，iD=0。N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線vGSVGS(off)OiDvGSOiDVGS(off)VGS=0VGS>0時(shí)：反型層變寬，溝道電阻變小，iD增大。VGS<0時(shí)：反型層變窄，溝道電阻變大，iD減小。VGS=VGS(off)時(shí)：反型層消失，iD=0。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(1)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如左圖所，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理

①柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

根據(jù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對(duì)于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。現(xiàn)以N溝道為例說(shuō)明其工作原理。當(dāng)VGS=0時(shí)，若在漏、源之間加有一定電壓，在漏、源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生漏極電流。gsdN當(dāng)VGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層加寬，漏、源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續(xù)減小可直至為0。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。gsdN

②漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵極加上電壓且VGS為0-VGS(off)之間某一確定值時(shí)，若漏源電壓VDS從零開始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從下至上呈楔形分布。但，只要不出現(xiàn)預(yù)夾斷區(qū)，ID將隨VDS線性變化。gsdN

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，當(dāng)VDS繼續(xù)增加，漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長(zhǎng)延長(zhǎng)。以上過程與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的十分相似。gsN

(3)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線JFET的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)(1)場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)

①開啟電壓VGS(th)(或VT)

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。②夾斷電壓VGS(off)(或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off)時(shí),漏極電流為零。③飽和漏極電流IDSS

耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管,當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

④輸入電阻RGS

場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。⑤低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

⑥最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=VDSID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。

場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較

雙極型三極管

場(chǎng)效應(yīng)三極管結(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)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)

雙極型三極管

場(chǎng)效應(yīng)三極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)模集成共源組態(tài)基本放大電路

對(duì)于采用場(chǎng)效應(yīng)三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對(duì)應(yīng)，只不過場(chǎng)效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路如下圖所示。共源組態(tài)接法基本放大電路

將共源基本放大電路的直流通道畫出,如下圖所示。共源基本放大電路的直流通道

根據(jù)圖03.29可寫出下列方程

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=ID0[(VGSQ/VGS(th))-1]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。Rg1RdRRg2VDDId微變等效電路

與雙極型三極管相比，輸入電阻無(wú)窮大，相當(dāng)于開路。VCCS的電流源還并聯(lián)了一個(gè)輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡(jiǎn)化模型中，因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時(shí)保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。(2)交流分析①電壓放大倍數(shù)

如果有信號(hào)源內(nèi)阻RS時(shí)：②輸入電阻③輸出電阻共漏組態(tài)基本放大電路(1)直流分析

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=ID0[(VGSQ/VGS(th))-1]2