模擬電路第四章

半導(dǎo)體三極管有兩大類型，一是雙極型半導(dǎo)體三極管BJT

二是場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管FET4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。

場(chǎng)效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。

場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件VCCS。

從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分:

1.電子作為載流子的N溝道器件2.空穴作為載流子的P溝道器件。

從場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分:1.金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET,也稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET

§4.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET

㈠結(jié)構(gòu)

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。

MOSFET也稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET。根據(jù)圖4.3.1，

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，MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖（動(dòng)畫4-3-1）說(shuō)明:柵極g處于絕緣狀態(tài),

Ig=0,

Ri很高,約1015Ω,所以稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET;箭頭方向表示P(襯底)指向N(溝道)虛線代表增強(qiáng)型溝道

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜vGS＜VGS(th)（VT）時(shí)，通過(guò)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(動(dòng)畫4-3-2）足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能形成漏極電流iD。㈡工作原理

1．柵源電壓VGS的控制作用當(dāng)vGS=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。

vGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

iD=f(vGS)vDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖4.3.3。

進(jìn)一步增加vGS，當(dāng)vGS＞VGS(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，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層(感應(yīng)溝道）。

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)vGS＞VGS(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4.3.3vGS對(duì)漏極電流的控制特性——轉(zhuǎn)移特性曲線

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=iD/vGS

vDS=const(單位mS)

iD=f(vGS)VDS=const

2．漏源電壓vDS對(duì)漏極電流iD的控制作用

當(dāng)vGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓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4.3.4所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系

圖4.3.4

漏源電壓vDS對(duì)溝道的影響(動(dòng)畫4-3-4)

當(dāng)vDS為0或較小時(shí)，溝道分布如圖4.3.5(a)，此時(shí)vDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。

當(dāng)vDS繼續(xù)增加時(shí)，溝道如圖4.3.5(b)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。當(dāng)vDS再繼續(xù)增加時(shí)，溝道如圖4.3.5(c)所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。vDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，iD基本趨于不變。

當(dāng)vGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，

vDS對(duì)iD的影響，即iD=f(vDS)vGS=const這一關(guān)系曲線如圖4.3.6所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

㈢MOSFET的特性曲線

當(dāng)vGS為某一值時(shí)，

vDS對(duì)iD的影響，即iD=f(vDS)vGS=const這一關(guān)系曲線如圖4.3.6所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。圖4.3.6漏極輸出特性曲線vGD=vGS-vDS=VTvDS=vGS-VT預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vDS≦vGS-VT截止區(qū)vGS＜VTvDS≧vGS-VT2023/2/5①截止區(qū)vGS﹤VT，iD=0②可變電阻區(qū)vDS≦vGS-VT，vDS與iD線性關(guān)系，斜率不同，是一個(gè)受vGS控制的可變電阻。③飽和區(qū)（恒流區(qū)或放大區(qū)）當(dāng)vGS≧VT，且vDS≧vGS-VT時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。iD基本不隨vDS變化。該區(qū)的V-I特性表達(dá)式：iD=IDO[vGS/VT－1]2

IDO

=

KnVT2

，它是vGS=

2VT時(shí)的

iD圖4.3.6漏極輸出特性曲線vGD=vGS-vDS=VT預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vDS≦vGS-VT截止區(qū)vDS≧vGS-VT2023/2/5

㈢MOSFET的特性曲線

vGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

iD=f(vGS)vDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，與輸出特性曲線反映FET工作的同一物理過(guò)程。圖4.3.3轉(zhuǎn)移特性曲線

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=iD/vGS

vDS=const2023/2/5MOSFET分為:增強(qiáng)型

vGS

=0,無(wú)導(dǎo)電溝道,即iD

=0

N溝道、P溝道

耗盡型

vGS

=

0,有導(dǎo)電溝道,即iD≠0N溝道、P溝道2023/2/5㈣N溝道耗盡型MOSFET

當(dāng)vGS＞0時(shí)，將使iD進(jìn)一步增加。vGS＜0時(shí)，隨著vGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0。N溝道耗盡型MOSFET的漏極輸出特性曲線如圖4.3.6(b)所示。

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖4.3.6(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)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。(a)結(jié)構(gòu)示意圖曲線(b)漏極輸出特性曲線VPiD=IDSS[1－vGS/VT]2

IDSS飽和漏極電流當(dāng)vGS≧VT，且vDS≧vGS-VT時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。圖4.3.6

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)

㈤MOSFET的參數(shù)

⑴直流參數(shù)①開啟電壓VGS(th)(或VT)

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

㈤

MOSFET的參數(shù)

②夾斷電壓VP

夾斷電壓是耗盡型MOS管的參數(shù)，當(dāng)vGS=VP時(shí),漏極電流為零。

③飽和漏極電流IDSS耗盡型MOS管,|vGS|=10V時(shí)，當(dāng)vGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。VP

㈤

MOSFET的參數(shù)

④直流輸入電阻RGS

場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。⑵交流參數(shù)①輸出電阻rds反映了漏源電壓對(duì)漏極電流的影響。②

低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用。VP

㈤

MOSFET的參數(shù)

⑶極限參數(shù)

①最大漏極電流IDM

②最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=vDSiD決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。③最大漏極電壓V（BR）DSMOSFET的性能比較N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型MOSFET的性能比較N溝道耗盡型P溝道耗盡型

㈠JFET的結(jié)構(gòu)

JFET的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。其中的方向表示柵極正偏時(shí)，柵流的方向。

圖4.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(動(dòng)畫4-1-1

）§4.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）

㈡JFET的工作原理現(xiàn)以N溝道為例說(shuō)明其工作原理

①柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

先假設(shè)當(dāng)vDS=0時(shí)，當(dāng)vGS由零向負(fù)值增大時(shí)，在反偏電壓作用下，兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層將加寬，使溝道變窄，溝道電阻增大，當(dāng)|vGS|進(jìn)一步增大到某一值|VP|時(shí)，兩側(cè)耗盡層將在中間合攏，溝道全部被夾斷。此時(shí)漏源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，相應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP。這一過(guò)程如圖4.1.2所示。圖4.1.2vGS對(duì)溝道的控制作用（動(dòng)畫4-1-2）

②漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

當(dāng)vDS增加到使vGD=VP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(zhǎng)延長(zhǎng)。這一過(guò)程如圖4.1.3所示。

圖4.1.3漏源電壓對(duì)溝道的控制作用（動(dòng)畫4-1-3）在柵極加上電壓，若漏源電壓vDS從零開始增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。

㈢JFET的特性曲線

JFET的特性曲線有兩條:一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線，兩者反映FET工作的同一物理過(guò)程。

JFET的特性曲線如圖4.1.4所示。(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.1.4N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線動(dòng)畫（4-1-4）

動(dòng)畫（4-1-4）

㈢JFET的特性曲線

vGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

iD=f(vGS)vDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖4.3.3。iD=IDSS[1－(vGS/VP)]2

(VP

vGS

0,即在飽和區(qū)或恒流區(qū)內(nèi)）

㈣JFET的參數(shù)

參數(shù)同耗盡型MOSFET。JFET的性能比較N溝道JFETP溝道JFET§4．3場(chǎng)效應(yīng)三極管放大電路

三種組態(tài)：CS共源組態(tài)基本放大電路CD共漏組態(tài)基本放大電路CG共柵組態(tài)基本放大電路共源組態(tài)基本放大電路

對(duì)于采用場(chǎng)效應(yīng)三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對(duì)應(yīng)，只不過(guò)場(chǎng)效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路如圖4.4.1所示。圖4.4.1共源組態(tài)接法基本放大電路

比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個(gè)解電路的問(wèn)題了。(1)直流分析

將共源基本放大電路的直流通道畫出,如圖4.4.2所示。4.4.2共源基本放大電路的直流通道

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對(duì)應(yīng)。而且只要結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源間PN結(jié)是反偏工作，無(wú)柵流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。根