場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管3.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路3.2第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

3.1場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，除了具有晶體管體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。。

場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的主要區(qū)別是：①場(chǎng)效應(yīng)管僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（電子或者空穴）導(dǎo)電，又稱單極型晶體管；②場(chǎng)效應(yīng)管是一種由輸入電壓控制其輸出電流大小的電壓控制型器件，它的輸入阻抗高達(dá)107～1014Ω。場(chǎng)效應(yīng)管的主要缺點(diǎn)是放大能力較低。按結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效管（IGFET）兩大類。根據(jù)溝道類型的不同，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管可為N溝道和P溝道兩種類型。圖3-1中，在一塊N型半導(dǎo)體兩側(cè)擴(kuò)散生成兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，從而形成兩個(gè)P+N結(jié)。P+區(qū)與N區(qū)交界面形成耗盡層，兩個(gè)P+N結(jié)的耗盡層之間的Ｎ型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道。

3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及原理圖3-1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

圖3-2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，應(yīng)在其柵－源之間加反向電壓（即uGS<0），使PN結(jié)反偏；當(dāng)在漏－源之間加正向電壓（即uDS>0）時(shí)，在導(dǎo)電溝道內(nèi)形成了漏極電流iD。當(dāng)uDS=0時(shí)，uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制當(dāng)uDS=0且uGS=0時(shí)，兩個(gè)P+N結(jié)均處于零偏狀態(tài)，導(dǎo)電溝道很寬且溝道等寬，如圖3-3（a）所示。

當(dāng)UGS(off)<

uGS<0時(shí)，兩個(gè)P+N結(jié)均處于反偏狀態(tài)，隨著的增大，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，導(dǎo)電能力下降，如圖3-3（b）所示。

當(dāng)增大到某一數(shù)值時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層相遇，導(dǎo)電溝道消失，稱為“夾斷”，溝道電阻趨于無(wú)窮大，此時(shí)的uGS值稱為夾斷電壓UGS(off)，如圖3-3（c）所示。

圖3-3uDS=0時(shí)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用

（a）uGS=0

（b）UGS(off)<

uGS<0（c）uGS=0

當(dāng)UGS(off)<

uGS<0時(shí)，漏源電壓uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制當(dāng)UGS(off)<

uGS<0時(shí)，若uDS=0，則uGS變化時(shí)，導(dǎo)電溝道的寬度發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)電溝道電阻變化。但是，由于漏極和源極之間電壓uDS=0，則導(dǎo)電溝道內(nèi)的自由電子不會(huì)產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，所以漏極電流iD=0。

當(dāng)uGD=UGS(off)時(shí)，則漏極一邊的導(dǎo)電溝道閉合，如圖3-4（b）所示。

當(dāng)UGS(off)<

uGS<0時(shí)，若uDS>0，則uGS<0使耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄；uDS>0使導(dǎo)電溝道不等寬。隨著的增大，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，在同樣的uDS作用下所產(chǎn)生的電流iD減小。，當(dāng)uDS逐漸增大時(shí)，uGD逐漸減小，導(dǎo)致靠近漏極一邊的導(dǎo)電溝道比靠近源極一邊的窄，如圖3-4（a）所示。

若uDS繼續(xù)增大時(shí)，則uGD<UGS(off)

，耗盡層閉合部分沿溝道方向延伸，如圖3-4（c）所示。當(dāng)uDS增大時(shí)，iD幾乎不變。

圖3-4UGS(off)<

uGS<0且uDS>0時(shí)對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用

（a）uGD>UGS(off)

（b）uGD=UGS(off)

（c）uGD<UGS(off)

當(dāng)uGD=uGS–uDS<UGS(off)

時(shí)，在uDS為常量的情況下，對(duì)于確定的柵源電壓uGS就有確定的漏極電流iD。iD僅僅取決于uGS而與uDS無(wú)關(guān)。體現(xiàn)了柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用。因此可以通過uGS來(lái)控制iD的大小。

當(dāng)uGD<UGS(off)時(shí)，uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線可以劃分為四個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。

2．結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

（1）

輸出特性曲線

可變電阻區(qū):最左側(cè)的虛線為預(yù)夾斷軌跡（滿足uDS=uGS–UGS(off)的點(diǎn)的連線），可變電阻區(qū)位于預(yù)夾斷軌跡左側(cè)。該區(qū)場(chǎng)效應(yīng)管的特性呈現(xiàn)為一個(gè)由uGS控制的可變電阻。恒流區(qū)：iD基本上不隨uDS變化，iD的值主要決定于uGS。對(duì)于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)管子工作在恒流區(qū)時(shí)，漏極電流iD的近似表達(dá)式為

可變電阻區(qū):在此區(qū)域，uGS<UGS(off)，iD=0，導(dǎo)電溝道被夾斷。

（2）轉(zhuǎn)移特性曲線3.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻是P+N結(jié)的反向電阻，可達(dá)107Ω以上。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此其輸入電阻很高，可達(dá)109Ω~1015Ω。又稱之為MOS管。

從導(dǎo)電溝道來(lái)分，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管也有N溝道和P溝道兩種類型。無(wú)論N溝道或P溝道，又都可以分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。若uGS=0時(shí)漏—源之間已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道，稱為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；如果當(dāng)uGS=0時(shí)不存在導(dǎo)電溝道，則稱之為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。

1．N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及原理

圖3-7N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖及增強(qiáng)型MOS的符號(hào)

（a）結(jié)構(gòu)示意圖

（b）N溝道電路符號(hào)

（c）P溝道電路符號(hào)

以N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管為例討論其工作原理。當(dāng)柵源之間的電壓uGS=0時(shí)，漏源之間是兩只背靠背的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，因此即使漏源之間的電壓uDS>0，也不會(huì)有漏極電流，即iD=0。

當(dāng)uDS=0且uGS>0時(shí)，在uGS的作用下，在柵極與襯底之間產(chǎn)生了垂直于襯底表面、柵極G指向P型襯底的電場(chǎng)。在柵極附近的P型襯底表面形成一個(gè)自由電子薄層，由于它的導(dǎo)電類型與P型襯底相反，故稱為反型層。這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。uGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。

當(dāng)uGS>UGS(th)時(shí)，漏源之間形成一個(gè)導(dǎo)電溝道。這時(shí)若漏源之間的電壓uDS>0，就會(huì)有漏極電流iD產(chǎn)生。uGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小，在相同uDS作用下所產(chǎn)生的iD就越大。故通過控制uGS的大小，就可以控制導(dǎo)電溝道電阻的大小，從而控制漏極電流iD的大小。

導(dǎo)電溝道形成后，當(dāng)uDS=0時(shí)，管內(nèi)溝道是等寬的。隨著uDS的增加，漏極電流iD沿溝道從漏極流向源極產(chǎn)生電壓降，使柵極與溝道內(nèi)各點(diǎn)的電壓不再相等，靠近源極一端電壓最大，其值為uGS，靠近漏極一端電壓最小，其值為uGD，于是溝道沿源—漏方向逐漸變窄，如圖3-9（a）所示。當(dāng)uDS增大到uGD=UGS(th)時(shí)，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱為預(yù)夾斷，如圖3-9（b）所示。如果uDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng)，如圖3-9（c）所示。

圖3-9uGS大于UGS(th)時(shí)uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

（a）uDS<uGS-UGS(th)

（b）uDS=uGS-UGS(th)

（c）uDS>uGS-UGS(th)

耗盡型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，即使柵極不加電壓，在正離子作用下P型襯底表面也存在反型層，從而產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)uGS由零向正值增大時(shí)，則加強(qiáng)了絕緣層中的電場(chǎng)，使溝道加寬，iD增大；反之，uGS由零向負(fù)值增大時(shí)，則削弱了絕緣層中的電場(chǎng)，使溝道變窄，iD減小。當(dāng)uGS負(fù)向增加到UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD=0。

2．N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及原理

3．絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖3-11a)所示。分為四個(gè)區(qū)域：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。

在可變電阻區(qū)，柵源電壓uGS>UGS（th）。圖3-11(a)中的預(yù)夾斷軌跡滿足uDS=uGS–UGS(th)，可變電阻區(qū)位于預(yù)夾斷軌跡左邊的區(qū)域，則uDS<uGS–UGS(th)。漏源電壓uDS的值比較小，當(dāng)uGS為一定值時(shí)，iD與uDS成線性關(guān)系，根據(jù)不同的uGS值可得到一組近似直線。在此區(qū)域，MOS管漏源之間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uGS控制的可變電阻。

在恒流區(qū)，柵源電壓uGS≥UGS(th)。uDS≥uGS–UGS(th)。當(dāng)uGS為一定值時(shí)，uDS變化時(shí)iD幾乎不變，呈恒流特性，iD僅與uGS有關(guān)系。在此區(qū)域，MOS管漏源之間一個(gè)受電壓uGS控制的電流源。MOS管用于放大電路時(shí)，一般就工作在恒流區(qū)。

在夾斷區(qū)，柵源電壓uGS<UGS（th）。該區(qū)域?yàn)閳D3-11(a)中靠近橫軸的區(qū)域，導(dǎo)電溝道被全部夾斷，漏極電流iD＝0，MOS管截止。圖3-11a)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線

擊穿區(qū)位于圖3-11(a)中右邊的區(qū)域。由于uDS過大導(dǎo)致PN結(jié)反向擊穿，漏極電流iD急劇增加。不允許MOS管工作在擊穿區(qū)。

N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3-11b)所示。當(dāng)漏極電流iD為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS就是開啟電壓UGS(th)。

當(dāng)N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)時(shí)，其轉(zhuǎn)移特性可近似表示如下

IDO是uGS=2UGS(th)時(shí)的漏極電流iD值。

圖3-11b)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖3-12所示。

（a）輸出特性（b）轉(zhuǎn)移特性圖3-12N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線3.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1．直流參數(shù)

開啟電壓UGS(th)：是指在uDS為某一固定數(shù)值的情況下，使漏極電流iD大于零所需的最小柵源電壓值。

夾斷電壓UGS(off)：是指uDS為常量的情況下，使iD減小到某一微小電流時(shí)所需的uGS。

飽和漏極電流IDSS：是指在uGS＝0時(shí)的飽和漏極電流。

直流輸入電阻RGS：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的RGS>107Ω，而MOS管的RGS>109Ω。2．交流參數(shù)

低頻跨導(dǎo)gm：當(dāng)uDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的變化量和引起這一變化的柵－源極電壓變化量之比

。極間電容

：場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極之間存在的電容稱為極間電容，包括CGS、CGD和CDS，極間電容越小，則場(chǎng)效應(yīng)管的高頻性能越好，一般為0.1pF~3pF。3．極限參數(shù)最大漏極電流IDM：場(chǎng)效應(yīng)管在工作時(shí)允許的最大漏極電流。最大功率PDM：PDM＝uDSiD，其值受場(chǎng)效應(yīng)管最高工作溫度的限制。

漏－源極擊穿電壓U(BR)DS：是指漏－源極間所能承受的最大電壓

。

3.1.4場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較（1）場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，而晶體管是一種電流控制器件。（3）場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻非常高，而晶體管的輸入電阻較小。（2）場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好。（4）場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單，利于大規(guī)模集成。3.2.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析1．自給偏壓偏置電路圖3-13自給偏壓電路

3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路靜態(tài)時(shí)，由于柵極電流IG=0，所以電阻RG上的電流為零，則柵極電位UG=0。

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