場效應(yīng)管及其基本放大電路

1、323場效應(yīng)管及其基本放大電路場效應(yīng)管（FET）1場效應(yīng)管的特點場效應(yīng)管誕生于20世紀60年代，它主要具有以下特點： 它幾乎僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，故又稱為單級型晶體管。 場效應(yīng)管是利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路的電流，并以此命名。 輸入回路的內(nèi)阻高達 107-1012 Q;另外還具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、 耗電小，體積小、重量輕、壽命長等特點，因而廣泛地應(yīng)用于各種電子電路中。場效應(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)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的符號和N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）有N溝道和P溝道兩種類型，圖3-62（a）所示為它們

2、的符號。 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖3-62（b）所示。它在同一塊N型半導(dǎo)體上制作兩個高摻雜的P區(qū)，并將它們連接在一起，引出電極，稱為柵極G; N型半導(dǎo)體的兩端分別引出兩個 電極，一個稱為漏極 D, 個稱為源極 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)域稱為導(dǎo)電溝道。N冏道P溝道符號（b）N溝道管的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-62結(jié)型場效應(yīng)管的符號和結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理為使N溝道結(jié)型場效應(yīng)管正常工作， 應(yīng)在其柵-源之間加負向電壓（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。下面通過柵-源 電壓Ugs和漏-源電壓U

3、ds對導(dǎo)電溝道的影響，來說明管子的工作原理。 當Uds=0V （即卩D、S短路）時，Ugs對導(dǎo)電溝道的控制作用i當Ugs=OV時，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ii當Ugs增大時，耗盡層加寬，溝道變窄（圖 （b）所示），溝道電阻增大。說當UGS增大到某一數(shù)值時，耗盡層閉合，溝道消失（圖窮大，稱此時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，

4、則雖有導(dǎo)電溝道存在，但多子不會產(chǎn)生定向移動，因而漏極電流為ii若UdsOV時，則有電流iD從漏極流向源極，從而使溝道中各點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，見圖3-64(a)所示。說若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出現(xiàn)夾斷區(qū)，(見圖(b)所示)，稱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，見圖(C)所示。這時，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，從而導(dǎo)致iD減小；另一方面，隨著Uds的增大，使漏-源間的縱向電場增強，也必然導(dǎo)致iD增大。實際上，上述iD的兩種變化趨勢相抵消，使iD幾乎不變，表現(xiàn)出iD的恒流特性。這時，iD僅僅決定于UGS。當UGDUGS(off)時，未出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，對應(yīng)于不同的Ugs , D-S間等效成不同阻值的電 阻。ii當Uds增大使Ugd =U GS(off)時，D-S之間予夾斷。iii當Uds繼續(xù)增大，夾斷區(qū)加長時，漏極電流iD幾乎僅僅決定于Ugs。結(jié)型場效應(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柵-源電壓為常量時，漏極電流iD與漏-源電壓UDS之間的函數(shù)關(guān)系，即對應(yīng)于每一個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場效應(yīng)管的輸出特性場效應(yīng)管有三個工作區(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）的點連接而成的。予夾斷軌道的左邊區(qū)域稱為可變電阻區(qū)，該區(qū)域中曲線近似為不同斜率的直線。當UGS確定時，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，可以通過改變Ugs的大小（即壓控的方式）來改變漏 -源電阻

7、的阻值，故稱之為可變電阻區(qū)。ii橫流區(qū)（或飽和區(qū)）：圖中予夾斷軌跡的右邊區(qū)域為橫流區(qū)。當UGDUGs（off）時，各曲線近似為一族橫軸的平行線。當uDS增大時，iD僅略有增大。因而可將iD近似為電壓UGS控制的電流源，故稱該區(qū)域為橫流區(qū)。利用場效應(yīng)管作放大管時，應(yīng)使其工作在該區(qū)域。iii夾斷區(qū)：當UGs 0V;而且，當管子工作在可變電阻區(qū)時，對于不同的Uds，轉(zhuǎn)移特性曲線將有很大差別。3.絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(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，故又稱為MOS管。它的柵-源間電阻比結(jié)型場效應(yīng)管的大的多，可達101Q以上，還

8、因為它比結(jié)型場效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時工藝簡單，而廣 泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。與結(jié)型場效應(yīng)管相同，MOSt也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強型和耗盡型兩種，因此 MOS管的四種類型為：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管，P溝道增強型管、P 溝道耗盡型管。凡柵-源電壓Ugs為零時，漏極電流也為零的管子，均屬于增強型管；凡柵 - 源電壓Ugs為零時，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溝道增強型 MOSfN溝道增強型 MOSf的結(jié)構(gòu)N溝道增強型 MOSf的結(jié)構(gòu)如圖3-67(a)所示,(b)為N溝道和P溝道兩種增強型管子的 符號。0 dQ gdo

9、 s ?1Jl0OE0 d J I OBSOOsF溝道(b)符號(a)結(jié)構(gòu)示意圖圖3-67 N溝道增強型 MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及增強型 MOS的符號它以一塊低摻雜的 P型硅片為襯底，利用擴散工藝制作兩個高摻雜的N區(qū)，并引出兩個電極，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。柵極和襯底各相當于一個 極板，中間是絕緣層，形成電容。當柵-源電壓變化時，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?，MOST與結(jié)型場效應(yīng)管的導(dǎo)電機理與電流控制原理均不相同。 N溝道增強型 MOS管的

10、工作原理i當柵-源之間不加電壓時(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，也不會有漏極電流。ii當Uds=0且Ugs0時，因為SiO2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，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層，如圖3-68(a)所示。iii當Ugs增大時，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 N型薄層，稱為反型層，如圖（b）所示。這個反型層就構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道。使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓 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U gs對導(dǎo)電溝道的影響dS1F 耗懇層d(a) uds U gs _ U GS(th)時(b) Uds u gs _u Gs(th)時(c) uds u g _ u Gs(th)時圖3-69 u GS為大于U GS（th）的某一值時U DS對I D的影響iv當Ugs是大于U GS（th）的一個確定值時，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，Uds的變化對導(dǎo)電溝道的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。即當Uds較小時，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Uds增大到使UGD=UGS（th）時，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點，稱為予夾斷，如圖（b）所示；如果Uds繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長，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，對應(yīng)于每一個UgS就有一個確定的i D。此時，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溝道增強型MOS管的特性曲線圖3-70(a)和(b)分別為N溝道增強型 MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，它們之間的關(guān)系見圖中標注。與結(jié)型場效應(yīng)管一樣，MOS管也有三個

13、工作區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)及夾斷區(qū)，如圖中所標注。與結(jié)型場效應(yīng)管相類似，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，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， 就會產(chǎn)生漏極電流，如圖 3-71(a)所示。當ugs為正時，反型層變寬，溝道電阻變小，iD增大；當ugs為負時，反型層變窄，溝道電阻變大，iD減?。欢擴gs從

14、零減小到一定值時，反型層消失，漏-源之間導(dǎo)電溝道消 失，iD=0.此時的Ugs稱為夾斷電壓UGS(off)。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOSt的夾斷電壓也為負值。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N溝道耗盡型 MOS管的結(jié)構(gòu)與增強型的不同之處，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管的符號見圖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)符號圖3-71 N溝道耗盡型MOS管結(jié)

15、構(gòu)示意圖及符號與N溝道MOS管相對應(yīng),P溝道MOSfP溝道增強型 MOSf的開啟電壓U GS(th) 0,當Ugs0, UGS可在正負值的一定范圍內(nèi)控制 iD，漏-源之間也應(yīng)加負電壓。應(yīng)當指出，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，導(dǎo)電溝道寬度將受Ugs和Ubs雙重控制，Ubs使開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。場效應(yīng)管(FET)4場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)開啟電壓UGS(th)： U GS(th)是在漏-源電壓Uds為一常數(shù)時，使漏極電

16、流iD大于0所需的最小柵-源電壓Ugs的值。手冊中給出的是在漏-源電流為規(guī)定的微小電流（如5AA ）時的柵-源電壓值。夾斷電壓U GS（off）：與開啟電壓類似，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 ）時的柵-源電壓Ugs。 飽和漏極電流Idss :對于結(jié)型管，在柵-源電壓Ugs=0V。情況下，產(chǎn)生予夾斷時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對漏極電流iD控制的強弱。當管子工作在橫流區(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，稱為低頻跨導(dǎo)。即gm%心Ugs U ds=常量(3-80 )gm的單位是S （西門子）。極間電容：場效應(yīng)管的三個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：管子進入橫流區(qū)后

18、，使最大漏極電流Idm : Idm是管子正常工作時漏極電流的上限值。i D驟然增大的Uds稱為漏-源擊穿電壓U（br）ds對于結(jié)型場效應(yīng)管，使柵極與溝道間Uds超過此值會使管子損壞。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 不能超過最大值，否則管子會被燒壞。顯然，最大耗散功率受管子的最高工作溫度限制。 。另外，需要說明的是：對于 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。而因為直流輸入電阻RGS( 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；同時在焊接時,要將電烙鐵良好 接地。5.場效應(yīng)管與晶體管的比較場效應(yīng)管的柵極g、源極s、漏極d對應(yīng)于晶體管的基極 b、發(fā)射極e、集電極c，它們 的作用相類似。場效應(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， 基極總要索取一定的電流。因此，要求輸入電阻高的電路，因選用場效應(yīng)管；而若信號源提 供一定的電流，則可選晶體管。場效應(yīng)管幾乎只有多子參與