模擬電子電路4

第3章場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor）FET：利用電場(chǎng)效應(yīng)控制其電流的正向受控器件特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，占用芯片面積小，輸入阻抗高（107Ω以上）

MOS型（金屬-氧化物-半導(dǎo)體Metal-Oxide-SemiconductorFET或MOSFET）分類(lèi)結(jié)型（JunctionFET，或JFET）內(nèi)容:場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性和模型

3.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型(EnhancementMOS或EMOS)分類(lèi)耗盡型(DepletionMOS或DMOS)

N溝道(Channel)導(dǎo)電類(lèi)型P溝道一、N溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管1、結(jié)構(gòu)2、工作原理工作條件：PN結(jié)必須反偏（含零偏），源極一般與襯底相連，所以VDS必須為正值。工作過(guò)程:(1)溝道的形成①②VGS>0→指向襯底的電場(chǎng)→吸引電子,排斥空穴→空間電荷(b圖)③VGS↑→電子薄層→N+NN+→導(dǎo)電溝道(N)(c圖)開(kāi)始形成溝道的VGS為開(kāi)啟電壓—VGS(th)④VGS↑→溝道寬度↑→導(dǎo)電能力↑→ID↑(2)VDS對(duì)溝道的控制(VGS>VGS(th))①VDS>0(很小),ID隨VDS線性增加②VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極溝道深度變窄→電阻↑→ID上升斜率↓→ID增加緩慢VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS(th)→近漏極端的電子層消失→溝道預(yù)夾斷(A)④VDS再增大，電壓的大部分將降落在夾斷區(qū)(此處電阻大)，而對(duì)溝道的橫向電場(chǎng)影響不大，溝道電壓也從此基本恒定下來(lái)。所以隨VDS的增大，ID基本恒定，從此進(jìn)入恒流區(qū)。

(3)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)VDS↑→A點(diǎn)略左移→溝道長(zhǎng)度↓→電阻↓→ID↑(略)3.伏安特性(共源)輸出特性N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性如圖所示。它與NPN型晶體三極管共發(fā)射極的輸出特性相似，它也分為恒流區(qū)(飽和區(qū))、可變電阻區(qū)(非飽和區(qū))、截止區(qū)和擊穿區(qū)。1.非飽和區(qū)預(yù)夾斷前VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)ID同時(shí)受VGS、VDS控制μn——溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；

Cox——單位面積柵極電容；

W——溝道寬度；

l——溝道長(zhǎng)度；

W/l——MOS管的寬長(zhǎng)比。在MOS集成電路設(shè)計(jì)中，寬長(zhǎng)比是一個(gè)極為重要的參數(shù)。簡(jiǎn)化VDS很小，忽略二次項(xiàng)ID與VDS呈線性→電阻（受VGS控制）2.飽和區(qū)(放大區(qū)、恒流區(qū)）預(yù)夾斷后，VGS>VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)·曲線平坦，VGS對(duì)ID控制能力強(qiáng)?！DS對(duì)ID的控制能力弱。正向受控作用：VGS控制ID平方律關(guān)系→轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線主要特點(diǎn)為：

(1)當(dāng)VGS<VGS（th）時(shí)，ID=0。

(2)當(dāng)VGS>VGS（th）時(shí)，ID>0，VGS越大，ID也隨之增大，二者符合平方律關(guān)系，計(jì)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)3.截止區(qū)：VGS≤VGS（th），導(dǎo)電溝道未形成，ID=0。4.擊穿區(qū)VDS↑→PN結(jié)雪崩擊穿→ID↑↑VGS過(guò)大→SiO2絕緣層的擊穿（永久性損壞）二、N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)

1、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型N溝道MOSFET在VGS=0時(shí)，管內(nèi)沒(méi)有導(dǎo)電溝道。而耗盡型則不同，它在VGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)檫@種器件在制造過(guò)程中，在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na++或K++)，這些正離子的作用如同加正柵壓一樣，在P型襯底表面產(chǎn)生垂直于襯底的自建電場(chǎng)，排斥空穴，吸引電子，從而形成表面導(dǎo)電溝道，稱(chēng)為原始導(dǎo)電溝道。P溝道N溝道2、伏安特性由于VGS=0時(shí)就存在原始溝道，所以只要此時(shí)VDS>0，就有漏極電流。如果VGS>0,指向襯底的電場(chǎng)加強(qiáng)，溝道變寬，漏極電流ID將會(huì)增大。反之，若VGS<0，則柵壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與正離子產(chǎn)生的自建電場(chǎng)方向相反，總電場(chǎng)減弱，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)VGS繼續(xù)變負(fù)，等于某一閾值電壓時(shí)，溝道將全部消失，ID=0，管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。相應(yīng)的VGS稱(chēng)為夾斷電壓VGS(th)

。輸出特性曲線（a）和轉(zhuǎn)移特性曲線（b）三、各種類(lèi)型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比下圖給出各種N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓UGS不同。各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比

(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓VGS不同。四、分析方法用兩種辦法確定直流工作點(diǎn)，一種是圖解法，另一種是解析法。聯(lián)立求解，解二次方程，有兩個(gè)根，舍去不合理的一個(gè)根，留下合理的一個(gè)根便是求得靜態(tài)工作點(diǎn)。。3.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)簡(jiǎn)稱(chēng)JFET，有N溝道JFET和P溝道JFET之分。下圖給出了JFET的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)。N溝道JFET，是在一塊N型硅片兩側(cè)通過(guò)高濃度擴(kuò)散制造兩個(gè)重?fù)诫sP++型區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)，將兩個(gè)P++區(qū)接在一起引出一個(gè)電極，稱(chēng)為柵極(Gate)，在兩個(gè)PN結(jié)之間的N型半導(dǎo)體構(gòu)成導(dǎo)電溝道。在N型半導(dǎo)體的兩端各制造一個(gè)歐姆接觸電極，這兩個(gè)電極間加上一定電壓，便在溝道中形成電場(chǎng)，在此電場(chǎng)作用下，形成由多數(shù)載流子——自由電子產(chǎn)生的漂移電流。將電子發(fā)源端稱(chēng)為源極(Source)，接收端稱(chēng)為漏極(Drain)。在JFET中，源極和漏極是可以互換的。一、工作原理（以N溝道為例）工作條件：PN結(jié)反偏（含零偏），VGS為負(fù)→VDS為正1、VGS對(duì)ID的控制因?yàn)闁旁措妷簽樨?fù)，PN結(jié)反偏，在柵源間僅存在微弱的反向飽和電流，所以柵極電流IG≈0，這就是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗很大的原因。(a)VGS=0，溝道最寬，ID最大；(b)VGS負(fù)壓增大，溝道變窄，ID減??；當(dāng)柵源負(fù)壓VGS加大時(shí)，PN結(jié)變厚，并向N區(qū)擴(kuò)張，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電導(dǎo)率變小，電阻變大，在同樣的VGS下，ID變??；(c)VGS負(fù)壓進(jìn)一步增大，溝道夾斷，ID=0當(dāng)|VGS|加大到某一負(fù)壓值時(shí)，兩側(cè)PN結(jié)擴(kuò)張使溝道全部消失，此時(shí)，ID將變?yōu)榱?。我們稱(chēng)此時(shí)的柵源電壓VGS為“夾斷電壓”，記為VGS（off）。可見(jiàn)，柵源電壓VGS的變化，將有效地控制漏極電流的變化，這就是JFET最重要的工作原理。2、VDS對(duì)ID的控制（1）VDS＞0（較?。鶬D隨VDS線性增加（2）VDS↑→沿溝道有電位梯度→近漏極反偏電壓最大→PN結(jié)→溝道寬度↓→電阻↑→ID增加緩慢（a）圖（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏區(qū)的PN結(jié)變厚，當(dāng)VGD=VGS（off）→溝道在漏極附近被局部夾斷(稱(chēng)為預(yù)夾斷)，如圖(b)所示。（4）VDS再增大，電壓主要降到局部夾斷區(qū)，而對(duì)整個(gè)溝道的導(dǎo)電能力影響不大。所以VDS的變化對(duì)ID影響很小。預(yù)夾斷點(diǎn)：二、伏安特性曲線1.非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）當(dāng)VDS很小，VDS<VGS-VGS（off）時(shí)，即預(yù)夾斷前如圖(a)所示，VDS的變化直接影響整個(gè)溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響ID的大小。所以在此區(qū)域，隨著VDS的增大，ID增大很快。受VGS控制的線性電阻2.恒流區(qū)（飽和區(qū)）恒流區(qū)相當(dāng)于雙極型晶體管的放大區(qū)。其主要特征為：當(dāng)VGSoff<VGS<0時(shí)，ID與VGS符合平方律關(guān)系，VGS對(duì)ID的控制能力很強(qiáng)。轉(zhuǎn)移特性和轉(zhuǎn)移特性曲線（圖b）IDSS——飽和漏電流，表示VGS=0且預(yù)夾斷時(shí)的ID值；3.截止區(qū)當(dāng)VGS<VGS(off)|時(shí)，溝道被全部夾斷，ID=0，故此區(qū)為截止區(qū)。若利用JFET作為開(kāi)關(guān)，則工作在截止區(qū)，即相當(dāng)于開(kāi)關(guān)打開(kāi)。4.擊穿區(qū)隨著VDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓VDG(=VDS-VGS)也隨之增大，PN結(jié)雪崩擊穿，ID劇增。三、FE