第五章場(chǎng)效應(yīng)管

1.NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極c基極b發(fā)射極e一、三極管的結(jié)構(gòu)、分類和符號(hào)Pecb

三個(gè)區(qū)、兩個(gè)結(jié)、三個(gè)極特點(diǎn)：基區(qū)薄，摻雜濃度低發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高集電區(qū)，結(jié)面積大1.3.1晶體管的結(jié)構(gòu)及類型1.3雙極型晶體管可按頻率、功率、材料、結(jié)構(gòu)分類。若按結(jié)構(gòu)分類，可分為2種：ECRCIC

UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路1.3.2晶體管的電流放大作用---放大？三極管具有電流控制作用的外部條件:

（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對(duì)于NPN型三極管應(yīng)滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對(duì)于PNP型三極管應(yīng)滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VE輸出回路輸入回路公共端EBRBIB發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子IEIB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成

發(fā)射極電流IE三極管的電流控制原理VBB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBIEPIBNICBOICNIENiC

/mAuCE

/V0放大區(qū)三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū)IB=

0μA20μA40μA截止區(qū)60μA80μA飽和區(qū)（2）截止區(qū)：IB≤0的區(qū)域，兩結(jié)反偏。嚴(yán)格說(shuō)，IE=0,即IC≤ICBO的區(qū)域，管子基本不導(dǎo)電。（1）放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電極反偏。特性曲線的平坦部分。滿足有電流控制作用。（3）飽和區(qū)：兩結(jié)正偏，靠近縱軸的區(qū)域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只隨UCE增加而增加。UCE=UBE稱為臨界飽和，在深度飽和時(shí)，飽和壓降UCES很小。臨界飽和的估算：三個(gè)工作區(qū)的分析1.3.5晶體管的應(yīng)用電路舉例例1.3.1現(xiàn)已測(cè)得某電路中有幾只晶體管三個(gè)極的直流電位如表所示，各晶體管b-e見(jiàn)開(kāi)啟電壓Uon均為0.5V。試分別說(shuō)明各管子的工作狀態(tài)。晶體管基極直流電位UB/V發(fā)射極直流電位UE/V集電極直流電位UC/V工作狀態(tài)T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.70015對(duì)NPN管，當(dāng)UBE＜Uon時(shí)，管子截止；當(dāng)UBE＞Uon且UCE≥UBE(或UC≥UB)，管子放大；當(dāng)UBE＞Uon且UCE＜UBE(或UC＜UB)，管子飽和。放大放大飽和截止§

5.1

場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型E型耗盡型D型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）場(chǎng)效應(yīng)管(FET)結(jié)型(JFET)絕緣柵型(MOSFET)特點(diǎn)：分類：體積小，重量輕，耗電省，壽命長(zhǎng)；輸入阻抗高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單。尤其MOS管在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要地位。5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)一、工作原理和結(jié)構(gòu)P+P+漏極DID柵極G源極SGSD1、結(jié)構(gòu)：在N型硅棒兩端加上一定極性的電壓，多子在電場(chǎng)力的作用下形成電流ID。在N型硅棒兩側(cè)做成兩個(gè)高濃度的P+區(qū)，并將其連在一起，如圖。若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實(shí)現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)控制導(dǎo)電溝道中電流強(qiáng)弱的目的。N圖5.1.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2、工作原理（1）D、S間短路，G、S間加反向電壓P+P+DGSNUGS︱UGS︱增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，電阻加大，當(dāng)︱UGS︱加大到一定值時(shí)，兩側(cè)的耗盡區(qū)幾乎碰上，導(dǎo)電溝道仿佛被夾斷，D、S間電阻趨于無(wú)窮大。此時(shí)，UGS=UGS(off)—夾斷電壓當(dāng)︱UGS︱

≥︱UGS(off)︱后，耗盡區(qū)無(wú)明顯變化，太大會(huì)出現(xiàn)擊穿。由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。一般不用正偏。圖5.1.2（2）G、S間短路，D、S間加正向電壓P+P+DGSUDSR隨UDS↑，ID↑

。由于電壓降，靠近D極UGD反壓越高，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，呈現(xiàn)楔型。當(dāng)UDS=︱UGS(off)︱,即UGD=UGS(off)時(shí)，在漏極兩側(cè)的耗盡區(qū)開(kāi)始合攏，稱為預(yù)夾斷。UDS↑，預(yù)夾斷區(qū)變長(zhǎng)，UDS的增加部分落在預(yù)夾斷區(qū)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的ID基本不變。（3）G、S間加負(fù)電壓，D、S間加正向電壓P+P+UDSRUGSG、S的負(fù)電壓使耗盡區(qū)變寬，導(dǎo)電溝道變窄；D、S間的正電壓使耗盡區(qū)和導(dǎo)電溝道不等寬。當(dāng)UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即UDS=UGS-UGS(off)時(shí)，發(fā)生預(yù)夾斷，此后UDS

↑，ID基本不變。圖5.1.3二、特性曲線及電流方程1、漏極特性曲線（輸出特性曲線）432104812–2V–3V圖5.1.5轉(zhuǎn)移特性123UGS

=0V–1012–1–2–3uGS/VIDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mA恒流區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)UGS=

常數(shù)iD

=f

(uDS)預(yù)夾斷軌跡低頻跨導(dǎo)：圖5.1.4場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性(1)可變電阻區(qū)iD幾乎與uDS成線性關(guān)系增加，呈電阻特性。其等效電阻可看作一個(gè)受柵源電壓uGS控制的可變電阻。(2)恒流區(qū)（飽和區(qū)）iD的大小受uGS控制。飽和區(qū)與可變電阻區(qū)的分界線為uDS=uGS-UGS(off)。(3)夾斷區(qū)uGS<UGS(off)，溝道被夾斷，iD≈02、轉(zhuǎn)移特性曲線UDS=

常數(shù)iD

=f

(uGS)SiO2N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)5.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)P型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BN+N+DBSG符號(hào)1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)一、N溝道增強(qiáng)型MOS管四種類型：N溝道增強(qiáng)型；N溝道耗盡型；P溝道增強(qiáng)型；P溝道耗盡型。圖5.1.6SiO2圖5.1.7(a)工作原理圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。2.工作原理(1)UGS=0P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)由柵極指向襯底方向的電場(chǎng)排斥P區(qū)空穴向下移動(dòng),在P型硅襯底的上表面形成耗盡層仍然沒(méi)有漏極電流。UGSN+N+UDS圖5.1.7(b)工作原理圖P型硅襯底N++BSGD。UDS耗盡層ID柵極下P型半導(dǎo)體中少子被吸引內(nèi)至其表面，形成N型導(dǎo)電溝道—反型層，當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID。(3)UGS>UGS(th)N+N+UGS增強(qiáng)型MOS管的iD與uGS的近似關(guān)系為：其中IDO是uGS=2UGS(th)時(shí)的iD圖5.1.7(c)工作原理圖N型導(dǎo)電溝道4321051015UGS

=5V6V4V3V2ViD/mAUDS=10V圖5.1.8增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246uGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性u(píng)DS/ViD/mA夾斷區(qū)二、N溝道耗盡型MOS管P型硅襯底源極S漏極D柵極G襯底引線B耗盡層1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理N+N+正離子N型溝道SiO2DBSG符號(hào)圖5.1.9N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)432104812UGS

=1V–2V–3V輸出特性轉(zhuǎn)移特性耗盡型NMOS管的特性曲線

1230V–1012–1–2–3uGS/V2.特性曲線IDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mAN型硅襯底N++BSGD。耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道三、P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（PMOS）PMOS管與NMOS管互為對(duì)偶關(guān)系，使用時(shí)UGS

、UDS的極性也與NMOS管相反。P+P+UGSUDSID1.P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟電壓UGS(th)為負(fù)值，UGS<UGS(th)

時(shí)導(dǎo)通。SGDB符號(hào)

iD/mAuGS

/V0UGS(th)

轉(zhuǎn)移特性2.P溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管DBSG符號(hào)

iD/mAuGS

/V0UGS(off)

轉(zhuǎn)移特性?shī)A斷電壓UGS(off)為正值，UGS

<

UGS(off)時(shí)導(dǎo)通。注:場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性如圖所示在UDS=0時(shí)，柵源電壓與柵極電流的比值。結(jié)型管大于107,MOS管大于109。1.4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1.開(kāi)啟電壓UGS(th)

指在一定的UDS下，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，NMOS為正，PMOS為負(fù)。2.夾斷電壓UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時(shí)所需的柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，PMOS管是正值。4.直流輸入電阻RGS（DC）一、直流參數(shù)3.飽和漏極電流IDSS在UGS=0時(shí)，管子發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊穿電壓U(BR)GS以及漏極最大耗散功率PDM、最大漏極電流IDM是管子的極限參數(shù)，使用時(shí)不可超過(guò)。gm=iD

/uGSUDS=常數(shù)是衡量場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)。1.低頻跨導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)2.極間電容Cgs、Cgd、Cds由PN結(jié)的勢(shì)壘電容及分布電容構(gòu)成。三、極限參數(shù)1.4.4場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用舉例例1.4.1已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場(chǎng)效應(yīng)管。2105101510V8V6VuDS/ViD/mAN溝導(dǎo)增強(qiáng)型MOS管。圖1.4.14輸出特性曲線例1.4.2電路及管子的輸出特性如圖所示。使分析uI為0、8V和10V三種情況下uO分別為幾伏。2105101510V8V6VuDS/ViD/mA+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-圖1.4.15例1.4.2電路圖圖1.4.14例1.4.3電路如圖所示，場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=-4V，飽和漏極電流IDSS=4mA。試問(wèn)：為保證負(fù)載電阻RL上的