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3場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路
3.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管,簡(jiǎn)稱FET(FieldEffectTransistor),其主要特點(diǎn):(a)
輸入電阻高,可達(dá)107~1015W。(b)
起導(dǎo)電作用的是多數(shù)載流子,又稱為單極型晶體管。(c)
體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)。(d)
噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單。(e)
在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管
3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理
3.1.2JFET的特性曲線
3.1.3JFET的主要電參數(shù)
3.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1、結(jié)構(gòu)
圖示為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號(hào),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)中的箭頭,表示由P區(qū)指向N區(qū)。2、工作原理(1)當(dāng)柵源電壓uGS=0時(shí),兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層比較窄,中間的N型導(dǎo)電溝道比較寬,溝道電阻小,如圖所示。(2)當(dāng)uGS<0時(shí),兩個(gè)PN結(jié)反向偏置,PN結(jié)的耗盡層變寬,中間的N型導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄,溝道導(dǎo)通電阻增大,如圖所示。
uGS繼續(xù)減小,溝道繼續(xù)變窄。當(dāng)溝道夾斷時(shí),對(duì)應(yīng)的柵源電壓uGS稱為夾斷電壓UGS(off)。對(duì)于N溝道的JFET,
UGS(off)<0。(3)當(dāng)UGS(off)
<uGS≤0且uDS>0時(shí),可產(chǎn)生漏極電流iD。iD的大小將隨柵源電壓uGS的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)漏極電流的控制作用。
uDS的存在,使得漏極附近的電位高,而源極附近的電位低,即沿N型導(dǎo)電溝道從漏極到源極形成一定的電位梯度,這樣靠近漏極附近的PN結(jié)所加的反向偏置電壓大,耗盡層寬;靠近源極附近的PN結(jié)反偏電壓小,耗盡層窄,導(dǎo)電溝道成為一個(gè)楔形,如圖所示。
當(dāng)uDS增加到使uGD=UGS(off)時(shí),在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)uDS
夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻iD基本不變綜上所述,可得下述結(jié)論:(1)JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的,因此其iG
約等于零,輸入電阻的阻值很高;(2)JFET是電壓控制電流器件,iD受uGS控制;(3)預(yù)夾斷前,iD與uDS呈近似線性關(guān)系,預(yù)夾斷后,iD趨于飽和。3.1.2JFET的特性曲線1.輸出特性
圖示即為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線,它與NPN型三極管的輸出特性曲線相似,可以分為四個(gè)區(qū).可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)各區(qū)的特點(diǎn):(1)截止區(qū)(夾斷區(qū)):當(dāng)uGS<
UGS(off)
時(shí),導(dǎo)電溝道被夾斷,iD=0稱為截止區(qū)。
(2)可變電阻區(qū):又稱非飽和區(qū),是預(yù)夾斷前的區(qū)域。此時(shí)溝道尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷,管子可以看作是一個(gè)由電壓控制的可變電阻。圖中左邊的一條虛線為預(yù)夾斷軌跡。當(dāng),時(shí),則N溝道JFET工作在可變電阻區(qū),其伏安特性可表示為其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。(3)恒流區(qū):又稱飽和區(qū)或放大區(qū),是預(yù)夾斷后的區(qū)域,管子漏極電流iD幾乎不隨uDS變化,主要由uGS決定。在此區(qū)域,場(chǎng)效應(yīng)管可以看作一個(gè)恒流源。利用場(chǎng)效應(yīng)管做放大管時(shí),管子在此區(qū)域工作。
當(dāng),時(shí),JFET工作在飽和區(qū),此時(shí)(4)擊穿區(qū):當(dāng)uDS增大到一定程度時(shí),柵漏極間PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿,iD迅速增大。如果不加限制,管子將會(huì)電擊穿。管子不允許在此區(qū)域工作。
2.轉(zhuǎn)移特性
轉(zhuǎn)移特性反映了場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。當(dāng)uGS=0時(shí),導(dǎo)電溝道電阻最小,iD最大,稱此電流為場(chǎng)效應(yīng)管的飽和漏極電流IDSS。當(dāng)uGS=UGS(off)時(shí),導(dǎo)電溝道被完全夾斷,溝道電阻最大,此時(shí)iD=0,稱UGS(off)為夾斷電壓。1.直流參數(shù)
(1)夾斷電壓UGS(off)
(2)零偏漏極電流IDSS
(3)直流輸入電阻RGS
2.交流參數(shù)
(1)跨導(dǎo)gm
(2)極間電容
3.1.3JFET的主要電參數(shù)
絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬(Metal)、氧化物(Oxide)和半導(dǎo)體(Semiconductor)材料構(gòu)成的,因此又叫MOS管,可以用MOSFET表示。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種,每一種又包括N溝道和P溝道兩種類型。
增強(qiáng)型和耗盡型的區(qū)別是:當(dāng)uGS=0時(shí),存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型,不存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。
3.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS管1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)符號(hào)中的箭頭表示從P區(qū)(襯底)指向N區(qū)(N溝道),虛線表示增強(qiáng)型。
2.N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理
(1)uGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)uGS≤0時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道,
d、s間加電壓時(shí),也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0<uGS
<UT時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng),但未形成導(dǎo)電溝道(感生溝道),d、s間加電壓后,沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)uGS
>UT時(shí)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道,d、s間加電壓后,將有電流產(chǎn)生。
uGS越大,導(dǎo)電溝道越厚UT稱為開啟電壓(2)uDS對(duì)iD的影響
iD隨uDS的增大而增大,可變電阻區(qū)
uGD=UT,預(yù)夾斷
iD幾乎僅僅受控于uGS,恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uGS的增大幾乎全部用來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻3.伏安特性曲線及大信號(hào)特性方程
MOSFET的輸出特性是指在柵源電壓uGS一定的條件下,漏極電流iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系,即
該輸出特性曲線與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似,MOSFET有三個(gè)工作區(qū)域:可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)。(1)截止區(qū):當(dāng)uGS<UT時(shí),導(dǎo)電溝道尚未形成,iD=0,為截止工作狀態(tài)。(2)可變電阻區(qū):當(dāng)uDS≤(uGS-UT)時(shí),
其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)。(3)飽和區(qū)(又稱恒流區(qū)或放大區(qū)):當(dāng)uGS>UT且uDS≥(uGS-UT)時(shí),MOSFET進(jìn)入飽和區(qū),此時(shí)
由于飽和區(qū)內(nèi),iD受uDS的影響很小,因此在飽和區(qū)內(nèi)不同uDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。其主要特點(diǎn)為:(1)當(dāng)uGS
<UT
時(shí),iD=0。(2)當(dāng)uGS>UT時(shí),iD>0,uGS越大,iD也隨之增大,兩者符合平方律的關(guān)系。(1)結(jié)構(gòu)、符號(hào)與工作原理3.2.2N溝道耗盡型MOS管耗盡型在uGS
=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)橹圃爝^(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的柵源電壓并使uGS>UT時(shí)相似,能在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。
由于uGS=0時(shí)就存在原始溝道,所以只要此時(shí)uDS>0,就有漏極電流iD。如果uGS>0,由于絕緣層的存在,并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流,但指向襯底的電場(chǎng)加強(qiáng),溝道變寬,漏極電流iD將會(huì)增大。若uGS<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)uGS繼續(xù)變負(fù),等于某一閾值電壓時(shí),溝道將完全被夾斷,iD=0,管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓UP。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道
N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性如圖所示。耗盡型NMOSFET的電流方程為:
耗盡型MOS管的工作區(qū)域同樣可以分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。所不同的是N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓為UP負(fù)值,而N溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓為UT為正值。
3.2.3MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開啟電壓UT
(增強(qiáng)型參數(shù))2.夾斷電壓UP
(耗盡型參數(shù))3.飽和漏電流IDSS
(耗盡型參數(shù))4.直流輸入電阻RGS
(109Ω~1015Ω
)二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds
2.低頻互導(dǎo)gm
在uDS等于常數(shù)時(shí),漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓的微變量之比稱為互導(dǎo),互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力,它相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率?;?dǎo)是表征FET放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM
2.最大耗散功率PDM
3.最大漏源電壓V(BR)DS
4.最大柵源電壓V(BR)GS
3.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管同三極管一樣,具有放大作用。它也可以構(gòu)成各種組態(tài)的放大電路,共源極、共漏極、共柵極放大電路。場(chǎng)效應(yīng)管由于具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性能好、低噪聲、低功耗等特點(diǎn),其所構(gòu)成的放大電路有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用越來(lái)越廣泛。3.3.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的偏置及靜態(tài)分析
場(chǎng)效應(yīng)管是一個(gè)電壓控制器件,在構(gòu)成放大電路時(shí),為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)不失真的放大,同三極管放大電路一樣也要有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q,但它不需要偏置電流,而是需要一個(gè)合適的柵源極偏置電壓UGS。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路常用的偏置電路主要有兩種:自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。1、自偏壓式電路
自偏壓放大電路只適用于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型MOS管組成的電路。由于這兩種管子即使是UGS=0,也有漏極電流ID流過(guò)管子,所以在該電路中,F(xiàn)ET的源極接入一只源極電阻RS后,IDQ流過(guò)它時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)大小等于IDQRS的電壓降。柵源偏置電壓UGSQ=UG-US=-IDQRS。電路自行產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)的偏置電壓UGSQ,剛好能滿足電路中場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)時(shí)對(duì)UGS的要求。UGSQ=-IDQRSUDSQ=UDD-IDQ(RS+RD)
注意:當(dāng)求得的Q點(diǎn)值滿足時(shí),F(xiàn)ET工作于放大區(qū),所求得的Q點(diǎn)值為電路的靜態(tài)工作點(diǎn);否則表明電路中的FET沒(méi)有工作在放大區(qū),所求得的Q點(diǎn)值沒(méi)有意義。
【解】由JFET的伏安特性易知
UGSQ=-IDQ*1kΩ
聯(lián)解上面兩式,可求得IDQ=2.9mA、UGSQ=―2.9V進(jìn)而可知UDSQ=UDD-IDQ(RS+RD)=18.4V例3.1由JFET構(gòu)成的放大電路的直流通路如圖所示。其中UDD=30V、RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ,F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS(off)=―8V。試求IDQ、UGSQ和UDSQ。
2、分壓式電路
分壓式偏置電路如圖所示,這種偏置方式既適用于增強(qiáng)型FET,也適用于耗盡型FET。以N溝道FET為例,這種偏置電路由于有RG1和RG2的分壓,提高了柵極電位,使UGQ>0,這樣既有可能使IDQRS>UGQ,滿足N溝道JFET對(duì)UGSQ的要求(UGSQ<0);
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