模擬電子技術(shù)(第五版)江曉安-4-1-2-3-4

1第四章場效應(yīng)管放大電路4.1結(jié)型場效應(yīng)管4.2絕緣柵場效應(yīng)管4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)4.4場效應(yīng)管的特點4.5場效應(yīng)管放大電路2

場效應(yīng)晶體管(FET)是利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制電流的一種半導體器件。它與普通晶體管相比有以下重要特點：

(1)它是一種電壓控制器件。工作時，管子的輸入電流幾乎為0，因此具有極高的輸入電阻(約數(shù)百兆歐以上)。

(2)

輸出電流是僅由多子運動而形成的，故稱單極型器件(普通晶體管電流是由多子和少子兩種載流子形成，稱為雙極型器件)。因此，它的抗溫度和抗輻射能力強，工作較穩(wěn)定。

(3)

制造工藝比較簡單，便于大規(guī)模集成，且噪聲較小。

(4)

類型較多，使電路設(shè)計靈活性增大。3

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管可分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管(MOSFET)。N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)4N基底：N型半導體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極導電溝道結(jié)型場效應(yīng)管也是具有PN結(jié)的半導體器件4.1結(jié)型場效應(yīng)管4.1.1結(jié)構(gòu)N型半導體襯底高摻雜P+型區(qū)導電溝道兩個PN結(jié)電子發(fā)射端稱為源極(Source)電子接收端稱為漏極(Drain)柵極(Gate)5NPPG(柵極)S源極D漏極符號DGSDGS在JFET中，源極和漏極是可以互換的。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管6PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS符號結(jié)構(gòu)7

源極，用S或s表示N型導電溝道漏極，用D或d表示

P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號符號#

符號中的箭頭方向表示什么？N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管符號上的區(qū)別，在于柵極的箭頭方向不同，但都要由P區(qū)指向N區(qū)。8

以N型溝道JFET為例進行分析，研究JFET的工作原理————輸入電壓對輸出電流的控制作用。4.1.2基本工作原理N溝道場效應(yīng)管工作時，在柵極與源極之間加負電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P溝道場效應(yīng)管工作時，極性相反，溝道中的多子為空穴。9JFET工作原理

（動畫2-9)10①VGS對溝道的控制作用當VGS＜0時對于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄

溝道電阻變大，ID減小；

VGS更負，溝道更窄，ID更小；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，ID≈0。這時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。11②漏源電壓VDS對iD的影響

在柵源間加電壓VGS＞VP，漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為VGD=VGS-VDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,則漏端耗盡層受反偏電壓為-5V，源端耗盡層受反偏電壓為-2V),使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故VDS對溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。當VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP

時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷點，

隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。當VDS繼續(xù)增加時，預夾斷點向源極方向伸長為預夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強電場力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。12③

VGS和VDS同時作用時

導電溝道更容易夾斷，

對于同樣的VDS，

ID的值比VGS=0時的值要小。在預夾斷處VGD=VGS-VDS=VP當VP<VGS<0時，13IDSSiD/

mAVGS=0預夾斷0|Vp|1.輸出特性曲線4.1.3特性曲線

輸出特性曲線（也叫漏極特性）是指在柵源電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源電壓UDS之間關(guān)系。函數(shù)表示為:從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)這三個區(qū)域。

14可變電阻區(qū)

（3）管壓降vDS

很小。用途：做壓控線性電阻條件：源端與漏端溝道都不夾斷

15恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點:(1)受控性：

輸入電壓vGS控制輸出電流(2)恒流性：輸出電流iD

基本上不受輸出電壓vDS的影響。用途:可做放大器和恒流源。條件:(1)源端溝道未夾斷

(2)源端溝道予夾斷

16夾斷區(qū)

用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個溝道都夾斷

擊穿區(qū)

當漏源電壓增大到

時，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD

劇增的區(qū)域。其值一般為（20—50）V之間。由于VGD=VGS-VDS,故vGS越負，對應(yīng)的VP就越小。管子不能在擊穿區(qū)工作。特點：172.轉(zhuǎn)移特性曲線輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制18結(jié)型場效應(yīng)管的特性小結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型19

結(jié)型場效應(yīng)管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。204.2絕緣柵場效應(yīng)管:絕緣柵型場效應(yīng)管MetalOxideSemiconductor——MOSFET

MOSFET是利用半導體表面的電場效應(yīng)進行工作的，也稱為表面場效應(yīng)器件。分為增強型

N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道增強型：沒有導電溝道，耗盡型：存在導電溝道，21MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。1.N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)4.2.1增強型MOS場效應(yīng)管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型半導體稱為襯底，用符號B表示。22漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B

電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體因此稱之為MOS管232.N溝道增強型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵源電壓VGS的控制作用

當VGS=0V時，因為漏源之間被兩個背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,

在D、S間也不可能形成電流。當0＜VGS＜VT(開啟電壓)時，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導通，處于截止狀態(tài)。通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時，使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復合而消失，24把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流

ID，即管子開啟。

VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS

電壓作用下，ID越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入電壓VGS對輸出電流ID的控制。

當VGS＞VT時，襯底中的電子進一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)的N型溝道。ID25

當VGS＞VT且固定為某值的情況下，若給漏源間加正電壓VDS，則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū)，形成漏極電流ID。當ID從D

S流過溝道時，沿途會產(chǎn)生壓降，進而導致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。A(2).漏源電壓VDS對溝道導電能力的影響

源極端電壓最大，為VGS

，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近，則柵—溝間的電壓線性下降，由它們感生的溝道越來越淺；直到漏極端，柵漏間電壓最小，其值為：

VGD=VGS-VDS

,由此感生的溝道也最淺?？梢姡赩DS作用下導電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT時，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預夾斷點。26

當VDS為0或較小時，VGD＞VT，此時VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。

當VDS增加到使VGD=VT時，漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達預夾斷區(qū)的邊界處，就能被預夾斷區(qū)內(nèi)的電場力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。

當VDS增加到使VGD

VT時，預夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預夾斷點開始，ID基本不隨VDS增加而變化。273.N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線UGS一定時，ID與UDS的變化曲線，是一族曲線

ID=f(UDS)

UGS=C(1).輸出特性曲線1).可變電阻區(qū)：

ID與UDS的關(guān)系近線性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUDS(V)ID(mA)當UGS變化時，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當UGS一定時，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)282).恒流區(qū)：該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變3).擊穿區(qū)：

UDS

增加到某一值時，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。當UDS

增加到某一臨界值時，ID開始劇增時UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)29

ID=f(VGS)

VDS=常數(shù)UDS一定時，UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系曲線(2).轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UT)230

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。其量綱為mA/V，稱gm為跨導。

gm=

ID/

VGS

Q

（mS)(2).轉(zhuǎn)移特性曲線31增強型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型32

MOS管襯底的處理

保證兩個PN結(jié)反偏，源極—溝道—漏極之間處于絕緣態(tài)NMOS管—UBS加一負壓PMOS管—UBS加一正壓處理原則：處理方法：331.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)4.2.2耗盡型MOS場效應(yīng)管+++++++

耗盡型MOS管存在原始導電溝道

N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導電溝道。342.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理當UGS=0時，UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示當UGS＞0時，將使ID進一步增加。當UGS＜0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UP表示。UGS(V)ID(mA)UP

耗盡型MOS管存在原始導電溝道。因此，使用時無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會有漏極電流。即：353.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線(1)輸出特性曲線UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUGS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N溝道增強型MOS管只能工作在UGS>036UGS(V)ID(mA)(2)轉(zhuǎn)移特性曲線常用關(guān)系式：UGS(off)夾斷電壓當

uGS

UGS（off）0時,37絕緣柵增強型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道38N溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2uGS/ViD/mAUGS(th)uDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–55uDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5IDSSUGS(off)uDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VMOSFET符號、特性的比較39開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAO4.3場效應(yīng)三極管的參數(shù)40UGS(th)UGS(off)3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時，柵、源間加

反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO414.低頻跨導gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO增強型MOSFET耗盡型MOSFET

或結(jié)型FET42PDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDM436.漏源擊穿電壓BUDS使ID開始劇增時的UDS。7.柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓8.漏極最大允許耗散功率PDm

PDm與ID、UDS有如下關(guān)系:449.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容Cgb—柵極與襯底間電容

Csd—源極與漏極間電容Csb—源極與襯底間電容Cdb—漏極與襯底間電容主要的極間電容有：454.4場效應(yīng)管的特點(1)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件,即通過UGS來控制ID。

(2)場效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流,所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。

(3)由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導電的,因此,與雙極性三極管相比,具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點等特性。46(4)由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱,有時漏極和源極可以互換使用,而各項指標基本上不受影響,因此應(yīng)用時比較方便、靈活。

(5)場效應(yīng)管的制造工藝簡單,有利于大規(guī)模集成。

(6)由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻可高達1015Ω,因此,由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度,以致引起絕緣層擊穿而損