集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程：第1篇 第三章 場效應晶體管及其電路分析

1、3、場效應晶體管及其電路分析場效應晶體管及其電路分析3.1 場效應管的結(jié)構(gòu)、特點與參數(shù)場效應晶體管是電壓控制電流型器件。其工場效應晶體管是電壓控制電流型器件。其工作電流主要由多數(shù)載流子的漂移運動形成，作電流主要由多數(shù)載流子的漂移運動形成，故又稱為單極型晶體管。故又稱為單極型晶體管。根據(jù)結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同，場效應管分為根據(jù)結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同，場效應管分為兩大類：兩大類： 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管（JFET） 絕緣柵場效應管（絕緣柵場效應管（MOSFET）/ IGFET FETPFETJMOSFETFETN型（耗盡型）耗盡型增強型型場效應管的分類：場效應管的分類：一、絕緣柵場效應管絕緣柵場效應

2、管（MOSFET）1. 絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)、類型及電路符號絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)、類型及電路符號在一塊低摻雜P型硅基片（襯底)上擴散兩個高濃度的N區(qū)（引出源極和漏極）。在P型硅表面用熱氧化的方法生成薄的SIO2絕緣層，兩個N區(qū)間的絕緣層上生長一層鋁，引出柵極。絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管電路符號：電路符號：2. 2. 工作原理工作原理（增強型NMOS管為例） （1）VGS=0,VDS較小時的情況由于GS間的電壓小，該電壓下的電場不足以在柵漏間形成導電溝道，在加有電壓VDS下也不會導電。 因為此時的柵源電壓 VGS 小于開啟電壓 VT，在二個高濃度的N+區(qū)間沒有導電溝道。（2）VGS VT ,而

3、VDS仍為較小的電壓在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個垂直電場（方向為由柵極指向襯底），它使漏-源之間的P型硅表面感應出電子層（即N型層，也稱為反型層）。 當GSV大于開啟電壓 該電子層使兩個N+區(qū)連通，形成N型導電溝道，d-s間呈現(xiàn)低阻，所以在 的作用下將可能產(chǎn)生漏極電流 DSVDI導電溝道越厚，d-s間等效電阻越小 （3）VGSVT且足夠大時,同時加上VDS電壓該情況下 ，在一定的VDS范圍，隨著VGS電壓的增加，ID電流也跟著增大。體現(xiàn)出線性的變化，如圖所示。在VGSVT時，VDS對增強型N-MOSFET的影響0VDSVGS-VT.)(constUGSDDSUfi20) 1(TGSDDUUIi開啟

4、電壓開啟電壓TU0DI是TGSUU2時的漏極電流3. 3. 伏安特性和電流方程伏安特性和電流方程( 以增強型NMOSFET為例) （1 1）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性.)(constvDSDGSvfi輸出特性分為三個工作區(qū)： 可變電阻區(qū)、放大區(qū)和夾斷區(qū)（2 2）輸出特性）輸出特性增強型NMOS管轉(zhuǎn)移特性和輸出特性VUT2AID500需要滿足的條件是：需要滿足的條件是：TGSDSTGSUUUUU,此時，溝道未預夾斷，溝道較寬，此時，溝道未預夾斷，溝道較寬，用一個體電阻等效用一個體電阻等效。.ConstUDDSDSGSIUR（a）可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)（b）放大區(qū)（恒流區(qū)、飽和區(qū)）工作條件：TGSDSTGS

5、UUUUU,TGSDSUUU滿足漏端預夾斷點的連線是放大區(qū)和可變電阻區(qū)的分界線Di主要受GSu控制，與DSu幾乎無關(guān)表現(xiàn)為較好的恒流特性TGSUU0Di（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）導電溝道消失，整個溝道被夾斷FET工作在截止狀態(tài)0GSu靠這些正離子的作用， 能使P型襯底表面感應出N型反型層，將兩個N區(qū)連通形成N型導電溝道。4. 4.耗盡型耗盡型MOSFET在制造過程，在柵極下方的SIO2絕緣層摻入大量的K（Na）正離子。即使耗盡型NMOS管的伏安特性曲線UP稱為夾斷電壓工作在放大區(qū)條件：PGSDSPGSUUUUU,轉(zhuǎn)移特性用電流方程：2)1 (PGSDSSDUUIiIDSS稱為飽和漏極電流二、結(jié)型場

6、效應管二、結(jié)型場效應管三、FET的主要參數(shù)（一）直流參數(shù)（1）開啟電壓UT （2）夾斷電壓UP（3）飽和漏極電流IDSS （4）直流輸入電阻 R GS（DC） 很大(107109)（二）交流參數(shù) （1）跨導（互導）跨導（互導）gm.ConstuGSDmDSuig跨導gm 的物理含義的物理含義20)1(TGSDDVuIiDQDTQTTGSQDQGSDmIIVVVUIuig002.1) 1(2(2)交流輸出電阻rds(三)極限參數(shù) （1）最大漏源電壓V（BR）DS （2）最大柵源電壓 V（BR）GS （3）最大耗散功率PDM.ConstuDDSdsGSiur3.2 場效應管放大電路場效應管和晶體管

7、一樣，也具有電壓放大作用，它的三個電極s、d、g與三極管e、c、b相對應。三種基本組態(tài)，共源(CS)、共漏(CD)和共柵(CG)，分別與三極管的共射(CE)、共集(CC)和共基(CB)相對應。 場效應管是一種電壓控制器件，只需提供柵偏壓，而不需提供柵極電流，所以它的偏置電路有其自身的特點。它對偏置電路的要求因管子類型不同而有所不同。 種類電壓 增 強 型 耗 盡 型NMOSPMOSN結(jié)型P結(jié)型NMOSPMOS柵源電壓 正 負 負 正負（正） 正（負）漏源電壓 正 負 正 負 正 負各類FET對偏置電壓的要求:以下重點介紹兩種偏置電路：自偏壓電路和分壓式自偏壓電路以及組成的CS電路結(jié)構(gòu)與分析方法

8、一、FET的直流偏置和靜態(tài)工作點的計算1. FET1. FET偏置電路偏置電路（1）自給柵偏壓電路（自偏壓電路）直流偏置采用電流反饋式偏置電路。Rg為柵極泄放電阻取0.110M只適合于耗盡型FET【例1.1.8】 SDSGGSRIUUU（2）分壓式自偏壓電路SDgggDDSDGSGGSRIRRRVRIUUUU2122. 2. 靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)工作點的計算通?？刹捎脠D解法和估算法（1）圖解法求靜態(tài)工作點例1.3.2SDDDGSRIVRRRV211可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上畫出這條偏壓直線，交點Q為靜態(tài)工作點。由輸出回路列出直流負載線：)(SdDDDDSRRIVV可以在FET輸出特性上得出“Q”點，

9、求得IDQ、UDSQ以下估算“Q”處的跨導gm ：（物理含義）（物理含義）20)1(TGSDDVuIiDQDTQTTGSQDQGSDmIIVVVUIuig002.1) 1(2SDGSPGSDSSDRIUVUII2)1 (SDgggDDSDGGSTGSDDRIRRRVRIUUVUII21220) 1(聯(lián)立方程，可求得UGS和ID（舍去一組），再利用輸出方程求得UDSQ)(SDDDDDSRRIVU（2）估算法求靜態(tài)工作點：【例】 （1） 由FET組成的放大電路如圖所示。設(shè)FET的漏極飽和電流IDSS=1mA，夾斷電壓VP = 2V，試求靜態(tài)工作點，并驗證它的合理性。2122212016 104.6 10300 120(1)1 (1)2gGSDDDSDDggGSGSDDSSPRVVI RIIRRVVIIV V8 . 3mA84. 0GSQDQVIV6 . 0mA52. 0GSQDQVI聯(lián)列求解上列方程，可得二組解：顯然，第組解是不合理的（因為VGSQ=-3.8V VGSQVP = 1.4V，說明FET工作在放大區(qū)。 【例】 （2） 由FET組成的放大電路如圖，已知IDSS = 4mA，VGSQ = 2V，VP = 4V，試求IDQ、RS1和R