場效應(yīng)晶體管及其電路

1、第四章 場效應(yīng)晶體管及其電路【場效應(yīng)管，7學(xué)時(shí)】1. MOS場效應(yīng)管EMOS場效應(yīng)管：DMOS場效應(yīng)管；四種MOS場效應(yīng)管比較；小信號(hào)模型分析方法2. 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理：伏安特性3. 場效應(yīng)管應(yīng)用原理§4.1 場效應(yīng)管（FET）場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流大小的半導(dǎo)體器件。其特點(diǎn)是控制端基本上不需要電流，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。它在工作過程中只有一種載流子參與導(dǎo)電多子。（而在半導(dǎo)體三極管的工作過程中，管子內(nèi)部的多子和少子都參與導(dǎo)電。因此，稱場效應(yīng)管為單極型晶體管，稱半導(dǎo)體三極管為雙極型晶體管）。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空

2、穴作為載流子的P溝道器件。從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET（Junction type Field Effect Transister）和絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET（ Insulated Gate Field Effect Transister）之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET（Metal Oxide Semicon-ductor FET）。從工作方式又分為增強(qiáng)型和耗盡型，由于結(jié)構(gòu)和工作原理的特點(diǎn)，結(jié)型場效應(yīng)管只有耗盡型。一. 結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）【1學(xué)時(shí)】圖4.1 結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)1. 結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及其特點(diǎn)（以N溝道為例）結(jié)型

3、場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，它是在N型半導(dǎo)體的兩側(cè)擴(kuò)散高濃度的P型區(qū)（用P表示），形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)用歐姆接觸電極連在一起即為柵極G，N型半導(dǎo)體的一端引出為漏極D，另一端為源極S。箭頭由P指向N。實(shí)際的JFET的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。電極D(Drain)稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極； G(Gate)稱為柵極，相當(dāng)于基極；S(Source)稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。2. JFET的工作原理（1）當(dāng)VDS=0時(shí)，VGS由零向負(fù)值增加：PN結(jié)耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，導(dǎo)電能力減弱。VGS= VP，兩個(gè)耗盡層相遇，導(dǎo)電溝道消失，此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電

4、壓（為負(fù)值）。（2）當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS由零向正值增加：教材P158VGD=VGS-VDS呈楔形分布。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGSVDS=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)向源極方向生長延長。（FET開始進(jìn)入放大區(qū)）（3）G、S間加負(fù)電壓，D、S間加正電壓：G、S間的負(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)呵導(dǎo)電溝道進(jìn)一步變淂不等寬。3. JFET的特性曲線（a） 漏極輸出特性曲線 （b） 轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.2 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線（1）輸出特性分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)：受柵源電壓控制的可變電阻。柵源電壓越負(fù)，輸出特性曲線

5、越傾斜，漏源間的等效電阻就越大。飽和區(qū)（恒流區(qū)、線性放大區(qū)）：此時(shí)流過漏源電流為飽和電流IDSS。擊穿區(qū)：漏源電壓過高>VBRDS，PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。（2）轉(zhuǎn)移特性教材P161二. IGFET（MOS管）【1學(xué)時(shí)】1. 結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)及其工作原理（1）增強(qiáng)型（E型）NMOS管結(jié)構(gòu)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。工作原理柵源電壓VGS的控制作用當(dāng)VGS=

6、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。當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0VGSVGS(th)時(shí)，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時(shí)（VGS(th)稱為開啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，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

7、，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)VGSVGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。圖4.3 轉(zhuǎn)移特性曲線VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(vGS)½VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖4.3。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，所以gm也稱為跨導(dǎo)。跨導(dǎo)的定義式如下：gm=DID/DVGS½ (單位mS)漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源

8、電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDS當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGDVGS(th)，溝道分布如圖，此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。(a) 輸出特性曲線 (b)轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.4 漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，溝道如圖所示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。當(dāng)VDS增加到VGD<VGS(th)時(shí)，溝道如圖所示

9、。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時(shí)，VDS對(duì)ID的影響，即iD=f(vDS)½VGS=const這一關(guān)系曲線如圖4.4所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。（2）耗盡型（D型）NMOS管(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.5 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖4.5(a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流

10、存在。當(dāng)VGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4.5(b)所示。（3）增強(qiáng)型PMOS管P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。2. 轉(zhuǎn)移特性與輸出特性3. MOS管的微變等效電路§4.2 場效應(yīng)管的特性【1學(xué)時(shí)】一. 四個(gè)重要特性1. 開關(guān)特性2. 放大恒流特性3. 電容特性4. 壓控電阻特性二. 主要參

11、數(shù)§4.3 MOS管基本放大電路一. 單極共源放大電路【0.5學(xué)時(shí)】二. 單極共漏放大電路三. 單極共柵放大電路§4.4 晶體管與場效應(yīng)管的比較及*集成工藝一. 晶體管與場效應(yīng)管的比較【0.5學(xué)時(shí)】1. BJT和FET的比較極型三極管 場效應(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、E一般不可倒置使用D、S一般可倒置使用載流子 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() 電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲 較大較小溫度特性 受溫度影響較大較小，并有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入

12、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2. BJT和FET的選擇場效應(yīng)管的S、G、D電極與晶體管的e、b、c相對(duì)應(yīng)。場效應(yīng)管是電壓控制器件，柵極基本上不取電流，而晶體管的基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號(hào)源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場效應(yīng)管；而在允許取一定量電流時(shí)，選用晶體管進(jìn)行放大可以得到比場效應(yīng)管較高的電壓放大倍數(shù)。場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而晶體管則是既利用多子又利用少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因此在環(huán)境變化比較劇烈的條件下，采用場效應(yīng)管比較合適。與雙極型晶體管相比，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)

13、較小，所以在低噪聲放大器的前級(jí)通常選用場效應(yīng)管，也可以選特制的低噪聲晶體管。但總的來說，當(dāng)信（號(hào)）噪（聲）比是主要矛盾時(shí)，還應(yīng)選用場效應(yīng)管。場效應(yīng)管的漏、源極可以互換，耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的柵極電壓可正可負(fù)，靈活性比晶體管強(qiáng)。場效應(yīng)管和晶體管都可以用于放大或作可控開關(guān)，但場效應(yīng)管還可以作為壓控電阻使用，而且制造工藝便于集成化，因此在電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。二. 集成工藝【0.5學(xué)時(shí)】集成電路是六十年代初期發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體器件，它采用一定的生產(chǎn)工藝把晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻、電容以及它們之間的連線所組成的整個(gè)電路集成在一塊半導(dǎo)體基片上，封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定功能的

14、器件，所以又稱為固體組件。由于它的元件密度高、連線短、體積小、重量輕、功耗低、外部接線及焊點(diǎn)少，從而提高了電子設(shè)備的可靠性和靈活性，降低了成本，而且實(shí)現(xiàn)了元件、電路和系統(tǒng)的三結(jié)合，為電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了一個(gè)新時(shí)代。1. 集成電路的制造工藝（1）工藝名詞：氧化：氧化是將硅片放在高溫（8001200）的氧氣中使半導(dǎo)體表面形成一層氧化硅薄層的過程，用以防止外界雜質(zhì)的沾污。光刻：光刻是利用照像制版技術(shù)，將集成電路在制造過程中所需要的圖形刻在硅片上。擴(kuò)散：擴(kuò)散工藝就是將磷、砷、硼等元素的氣體按制造N型或P型半導(dǎo)體的要求，引入擴(kuò)散爐中，爐溫控制在1000左右，經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后形成了所要求的雜質(zhì)半導(dǎo)體。每次

15、擴(kuò)散完畢就要進(jìn)行一次氧化，把表面保護(hù)起來。外延：外延生長技術(shù)用于在半導(dǎo)體基片上形成一個(gè)與基片結(jié)晶軸同晶向的半導(dǎo)體薄層，該薄層稱為外延層。它的作用是保證半導(dǎo)體表面性能均勻。蒸鋁：即在真空中將鋁蒸發(fā)，沉積在硅片表面上，為以后制造連接線和引線作準(zhǔn)備。（2）PN結(jié)隔離技術(shù)由于集成電路中所有的元件都制造在同一塊硅片上，為了保證電路的性能，各元件之間必須實(shí)行絕緣隔離。目前集成工藝中最常用的是PN結(jié)隔離，其次是介質(zhì)隔離。PN結(jié)隔離是利用反向偏置的PN結(jié)具有很高的電阻這一特點(diǎn)，把各元件所在的N區(qū)或P區(qū)四周用PN結(jié)包圍起來，使各元件之間形成絕緣隔離。介質(zhì)隔離是利用二氧化硅把各元件所在的區(qū)域包圍起來實(shí)現(xiàn)隔離。（3）集成電路的封裝分為雙列直插式，圓殼式，標(biāo)貼式。2. 集成元件的結(jié)構(gòu)（1）集成雙極型晶體管集成NPN管、PNP管多發(fā)射極管和多集電極管：在數(shù)字電路中應(yīng)用廣泛。（2）集成MOS管：右圖是NMOS管和PMOS管組成的互補(bǔ)電路（簡稱CMOS管）中兩個(gè)管子的結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的電路。這種電路具有功耗小，輸入電流小，連接方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的集成電路之一。在以后再做具體介紹。3. 集成元件的特點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制造出來