模擬電子技術(shù)第三章場效應(yīng)三極管

模擬電子技術(shù)第三章場效應(yīng)三極管第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五場效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道下頁上頁首頁第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五一、結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)N型溝道耗盡層gdsgdsP+P+N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)柵極漏極源極下頁上頁首頁第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.工作原理uGS=0uGS<0uGS=UGS(off)⑴當(dāng)uDS=0

時(shí)，uGS對耗盡層和導(dǎo)電溝道的影響。ID=0ID=0下頁上頁首頁N型溝道gdsP+P+N型溝道gdsP+P+gdsP+P+第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五溝道較寬，iD

較大。iS=iDiDiSiDiSuGS=0，uGD>UGS(off)uGS<0，uGD>UGS(off)⑵當(dāng)uDS＞0

時(shí)，uGS對耗盡層和iD的影響。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds溝道變窄，

iD

較小。下頁上頁首頁第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS<0，uGD=UGS(off)，uGS≤

UGS(off)

，uGD

<

UGS(off)，iD≈0，導(dǎo)電溝道夾斷。iD更小，導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷。下頁上頁首頁第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.特性曲線⑴轉(zhuǎn)移特性iD=f（uGS）|uDS=常數(shù)gdsmAVVIDVGGVDD場效應(yīng)管特性曲線測試電路Ｎ溝道結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性

IDSSUGS(off)飽和漏極電流柵源間加反向電壓uGS

<

0利用場效應(yīng)管輸入電阻高的優(yōu)點(diǎn)。uGS/ViD/mAO下頁上頁首頁第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五⑵漏極特性iD=f（uDS）|uGS=常數(shù)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)|UGS(off)|8VIDSSuGS=0-4-2-6-8iD/mAuDS/VO|uDS-uGS|=|UGS(off)|可變電阻區(qū)：iD與uDS基本上呈線性關(guān)系，但不同的uGS其斜率不同。恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)，iD幾乎與uDS無關(guān)，iD的值受uGS控制。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的漏極特性擊穿區(qū)：反向偏置的PN結(jié)被擊穿，

iD電流突然增大。夾斷電壓下頁上頁首頁第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五二、絕緣柵場效應(yīng)管1.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管⑴結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BsgdSiO2鋁P襯底雜質(zhì)濃度較低，引出電極用B表示。N+兩個(gè)區(qū)雜質(zhì)濃度很高，分別引出源極和漏極。柵極與其他電極是絕緣的，通常襯底與源極在管子內(nèi)部連接。sgdB下頁上頁首頁第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五P型襯底N+sgdBN+開啟電壓，用uGS(th)表示⑵工作原理當(dāng)uGS增大到一定值時(shí)，形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道。N型溝道uGS>UGS(th)時(shí)形成導(dǎo)電溝道VGG導(dǎo)電溝道的形成假設(shè)uDS=0，同時(shí)uGS

>0

靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層，若增大uGS

，則耗盡層變寬。又稱之為反型層導(dǎo)電溝道隨uGS增大而增寬。下頁上頁首頁第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五uDS對導(dǎo)電溝道的影響uGS為某一個(gè)大于UGS(th)的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且uDS<

uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

>UGS(th)則有電流iD

產(chǎn)生，iD使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。當(dāng)uDS

增大到uDS=uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

=UGS(th)

時(shí)，溝道被預(yù)夾斷，

iD

飽和。P型襯底N+N+sgdBVGGN型溝道VDDuDS對導(dǎo)電溝道的影響下頁上頁首頁第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五⑶特性曲線IDOUGS(th)2UGS(th)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO當(dāng)uGS

≥

UGS(th)時(shí)下頁上頁截止區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用以下公式表示：首頁第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管預(yù)先在二氧化硅中摻入大量的正離子，使uGS=0時(shí)，產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)uGS<0時(shí)，溝道變窄，達(dá)到某一負(fù)值時(shí)被夾斷，iD≈0，稱為夾斷電壓。uGS>0時(shí)，溝道變寬，iD增大。gdsB下頁上頁首頁P(yáng)型襯底N+N+sgdBN型溝道++++++動(dòng)畫第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五耗盡型：uGS

=0

時(shí)無導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：uGS

=0

時(shí)有導(dǎo)電溝道。特性曲線IDSSUGS(off)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)IDSSiD/mAuDS/VOuGS=0-2-1+1+2uGS/VOiD/mA下頁上頁截止區(qū)首頁第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五三、場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)⑴飽和漏極電流IDSS是耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓uGS等于零，而漏源之間的電壓uDS大于夾斷電壓時(shí)對應(yīng)的漏極電流。⑵夾斷電壓UGS(off)是耗盡型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時(shí)，使iD減小到某一個(gè)微小電流時(shí)所需的uGS值。下頁上頁首頁第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五⑶開啟電壓UGS(th)UGS(th)是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時(shí)，使漏極電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)所需加的uGS值。⑷直流輸入電阻RGS柵源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。結(jié)型場效應(yīng)管的RGS一般在107Ω以上，絕緣柵場效應(yīng)管的RGS更高，一般大于109Ω。下頁上頁首頁第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.交流參數(shù)⑴低頻跨導(dǎo)gm用以描述柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。⑵極間電容場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS

、CGD和CDS

。極間電容愈小，管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。下頁上頁首頁第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.極限參數(shù)⑴漏極最大允許耗散功率PDM漏極耗散功率等于漏極電流與漏源之間電壓的乘積，即pD=iDuDS。⑵

漏源擊穿電壓U（BR)DS在場效應(yīng)管的漏極特性曲線上，當(dāng)漏極電流iD急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的uDS

。⑶柵源擊穿電壓U（BR）GS下頁上頁首頁第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.2

場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:絕緣柵型場效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類每類又有N溝道和P溝道之分第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.2.1

絕緣柵場效應(yīng)管漏極D柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。金屬電極(1)

N溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S1.

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五GSD符號(hào)：由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SD第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時(shí)，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS（th）時(shí)，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當(dāng)UGS

UGS(th）后，場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五(3)特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五N型襯底P+P+GSD符號(hào)：結(jié)構(gòu)(4)P溝道增強(qiáng)型SiO2絕緣層加電壓才形成

P型導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管只有當(dāng)UGS

UGS(th）時(shí)才形成導(dǎo)電溝道。第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號(hào)：如果MOS管在制造時(shí)導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。(1)N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導(dǎo)電溝道第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS=0時(shí)，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，也會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。當(dāng)UGS>0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變寬，ID增大；當(dāng)UGS<0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變窄，ID減?。籙GS負(fù)值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。

當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，N型導(dǎo)電溝道消失，ID=0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。

這時(shí)的漏極電流用

IDSS表示，稱為飽和漏極電流。第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五(2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線夾斷電壓耗盡型的MOS管UGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時(shí)才能夾斷。

UGS(off)轉(zhuǎn)移特性曲線0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常數(shù)UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏極特性曲線0ID/mA16201248121648IDSS第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五2.

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管(3)P溝道耗盡型管符號(hào)：GSD予埋了P型導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中摻有負(fù)離子第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五耗盡型GSDGSD增強(qiáng)型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導(dǎo)電溝道在制造時(shí)就具有原始導(dǎo)電溝道第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)開啟電壓UGS(th)：是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)(2)夾斷電壓UGS(off)：(3)飽和漏電流IDSS：是結(jié)型和耗盡型MOS管的參數(shù)(4)低頻跨導(dǎo)gm：表示柵源電壓對漏極電流的控制能力極限參數(shù)：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五場效應(yīng)管與晶體管的比較電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時(shí)參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高輸出電阻輸入電阻較低較高雙極型三極管單極型場效應(yīng)管熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復(fù)雜簡單，成本低對應(yīng)電極

B—E—C

G—S—D第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五3.2.2

場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當(dāng)于雙極型晶體管的發(fā)射極、集電極、基極。場效應(yīng)管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發(fā)射極放大電路和射極輸出器在結(jié)構(gòu)上也相類似。場效應(yīng)管放大電路的分析與雙極型晶體管放大電路一樣，包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五1.自給偏壓式偏置電路3.2.2

場效應(yīng)管放大電路柵源電壓UGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGST為N溝道耗盡型場效應(yīng)管增強(qiáng)型MOS管因UGS=0時(shí)，ID0，故不能采用自給偏壓式電路。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGS靜態(tài)分析可以用估算法或圖解法(

略)估算法：UGS

=–RSID將已知的UGS(off)、IDSS代入上兩式，解出UGS、ID;由UDS=

UDD–ID(RD+RS)解出UDS列出靜態(tài)時(shí)的關(guān)系式對增強(qiáng)型MOS管構(gòu)成的放大電路需用圖解法來確定靜態(tài)值。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期五+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGS例：已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=–4V、IDSS=8mA，確定靜態(tài)工作點(diǎn)。解：用估算法UGS

=–1IDUDS=20

–2（3+1）=