模拟电子技术基础第8章场效应管及其放大电路.

第8章场效应管及其放大电路第7章介绍的半导体三极管是用基极电流去控制集电极电流的器件，称为电流控制电流源器件，用CCCS表示，三极管中有两种载流子参与导电，温度稳定性较差。本章介绍的场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件，属于电压控制电流源器件，用VCCS表示。场效应管（FieldEffectTransistor,FET）从参与导电的载流子来划分，可以分为以电子作为载流子的N沟道器件和以空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应管的结构来划分，可以分为绝缘栅型场效应管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransistor)和结型场效应管JFET(JunctionFieldEffectTransistor)，IGFET也称为金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET（Metal－Oxide－SemiconductorFieldEffectTransistor）。场效应管的分类：8.1绝缘栅型场效应管按照导电沟道的形成机理不同，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET又各有增强型和耗尽型两大类。8.1.1N沟道增强型MOSFET1.N沟道增强型MOSFET的结构SiO2绝缘层符号jueyuanmcengjueyu源极栅极漏极BWP型衬底N+L耗尽层铝层sgdN+N+iDvDN+dP(衬底)B铝sgdBsg结构示意图:结构剖面图:符号:2.N沟道增强型MOSFET的工作原理场效应管的栅－源电压vGS及漏－源电压vDS都会对管子的工作状态有影响。（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用dgN+SiO2绝缘层符号jueyuanmcengjuevGSsgddggSvPB铝vDSiDvGS＝0时，没有导电沟道：当栅源电压vGS=0时，增强型MOS管的漏极d和源极s之间是两个背靠背的PN结。即使加上漏源电压vDS，不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源之间没有导电沟道，漏极电流iD＝0，当vDS＝0且vGS0时，由于栅极和源极之间、栅极和漏极之间均被SiO2绝缘层隔开，所以栅极电流为零。同时栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极指向衬底的电场。N+N+SiO2绝缘层符号jueyuanmcssgd铝N+铝P电子反型层耗尽层iDvGSvT时，形成导电沟道：在这个电场的作用，栅极下方P型半导体中的多数载流子（空穴）被排斥，留下不能移动的负离子，从而形成耗尽层。电场也将P型衬底中的少数载流子（电子）吸引到到栅极下的衬底表面，形成一个N型薄层，称为反型层。反型层把左右两个N＋区连接起来，构成了漏极与源极之间的导电沟道。使导电沟道刚刚形成的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示，有时也用VGS(th)表示。在vGSVT时，N沟道MOS管不能形成导电沟道，管子处于截止状态。N+N+SiO2绝缘层符号jueyuanmcssgd铝N+铝P电子反型层耗尽层iD只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管.导电沟道形成以后，在漏源极间加上正电压vDS，就产生漏极电流iD。（2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响设vGS=VGSVT，且为定值。若vDS＝0，此时尽管有导电沟道，漏极还是没有电流，iD＝0:N+N+gdP电子反型层iD＝0vGS由于源极和衬底相连，如果作用负的漏源电压（vDS0），则漏区与衬底间的PN结将正向导通，将导电沟道短路，这是不允许的。因此，漏源电压必须大于零（vDS0）。(a)vDS＝0时，iD＝0;(b)vDS较小(vDSvGS-VT)时，iD随vDS变化;N+sgdPvDSvGSiD在漏极和源极之间加正电压（vDS0）时，沟道中就有电流iD流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道形成的源极端小、漏极端大的电位分布，导致沟道内的电场强度沿沟道从漏极端到源极端逐渐减小，沟道厚度亦从漏极端到源极端逐渐减小;(c)vDS增大到vDS=vGS-VT时，预夹断sgdvGSvDSN+N+PiD当vDS足够大时，使vGD=vGS-vDS略小于开启电压VT，则靠近漏极的电场强度不能吸引足够的电子形成的反型层，此处沟道刚好被夹断，称为预夹断，预夹断对应的临界漏源电压方程为vGS-vDS=VT。预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。预夹断以后，由于预夹断区无载流子，夹断区电阻远比未夹断区电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。预夹断后漏极电流基本保持预夹断前的电流，不再随的vDS增加而变化，具有恒流特性。(d)vDSvGS-VT时，iD饱和N+N+sgPvGSvDSiD夹断区若vDS继续增加，预夹断向源极方向延伸。预夹后的漏极电流与栅源电压有关，反映了MOS管的电压控制电流的特性。晶体管：β（＝ΔiC/ΔiB）场效应管用低频跨导gm来描述动态情况下栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用：GSDmvig（gm越大，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用越强。）结论：MOS管的导电沟道中只有一种类型的载流子参与导电，这与MOS管一样，所以称为单极型晶体管。MOS管栅极是绝缘的，栅极输入电流近似为零。漏极电流iD受栅源电压vGS的控制，即MOS管是电压控制电流器件。预夹断前iD与vDS，近似呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。3.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及电流方程N沟道增强型MOSFET的特性曲线有两条，即输出特性和转移特性。（1）输出特性在栅源电压vGS为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS的关系称为输出特性，即:常数GSvDSDvfi)(01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-vT预夹断轨迹vDS=vGS-vT515饱和区vDSvGS-vTvGS1vGS2vGS3vGS4＝2VT截止区IDOvGS=VTabcd输出特性可分为截止区、可变电阻区和恒流区。预夹断轨迹是可变电阻区和恒流区的分界线；vGS=VT则是恒流区和截止区的分界线。01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-vT预夹断轨迹vDS=vGS-vT515饱和区vDSvGS-vTvGS1vGS2vGS3vGS4＝2VT截止区IDOvGS=VTabcd①截止区靠近横轴、iD近似为零的区域是截止区。在截止区内，vGSVT，导电沟道尚未形成，iD≈0，MOS管截止。②可变电阻区预夹断轨迹左边的区域即是可变电阻区。当vDS(vGS-vT)时，导电沟道未被预夹断。因为vGS可以改变导电沟道的厚度，所以沟道电阻受栅源电压vGS的控制，与漏源电压vDS基本无关。漏极电流iD与漏源电压vDS基本上成正比。常数沟道电阻GSvDDSDSivr01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-vT预夹断轨迹vDS=vGS-vT515饱和区vDSvGS-vTvGS1vGS2vGS3vGS4＝2VT截止区IDOvGS=VTabcd③恒流区（也称饱和区）预夹断轨迹右边的区域是恒流区。当vDS(vGS-vT)时，导电沟道被预夹断。漏极电流iD基本不随vDS的增加而变化，具有恒流特性。因此，称该区域为恒流区。iD受vGS的控制，等效为电压控制电流源。放大电路中的场效应管应该工作在恒流区内。（2）转移特性曲线MOS管的栅极是绝缘的，栅极电流近似为零，其栅源电压控制特性漏极电流。定义为漏源电压vDS一定时，漏极电流iD与栅源电压vGS的函数，即常数DSvGSDvfi)(01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-vT预夹断轨迹vDS=vGS-vT515饱和区vDSvGS-vTvGS1vGS2vGS3vGS4＝2VT截止区VT0vGS/ViD/mAacdIDOIDOvGS1vGS3vGS2vGS4=2VTvGS=VTabbcd输出特性曲线上，做垂直于横轴的一条垂直线（vDS=常数），直线与多条输出特性曲线相交于a、b、c、d点，将上述各点对应的iD和vGS的数值描绘在iD－vGS的直角坐标系中，连接各点所得到的曲线就是转移特性曲线VT0vGS/ViD/mAacdIDOvGS1vGS3vGS2vGS4=2VTb当管子工作在恒流区时，iD基本上不受vDS的影响，因此，在恒流区内不同vDS下的转移特性曲线基本重合，可以用一条曲线代替恒流区的所有转移特性曲线。当vGSVT时，iD=0。N沟道增强型MOS管工作在恒流区时:TGSDSTGSTGSDODVvvVvVvIi,0)1(2式中，IDO是MOS管工作在横流区且vGS＝2VT时对应的漏极电流。8.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.N沟道耗尽型MOSFET的结构和基本工作原理结构示意图:dBsg符号:N+N+SiO2绝缘层符号jueyuanmcgjusgd铝N+铝P电子反型层耗尽层＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋当vGS=0时:正离子正离子产生垂直于P型半导体的电场，其强度足以感应出一定厚度的反型层（N型），形成导电沟道。工作原理:作用漏源电压vDS，就会有产生漏极电流iD。N+N+SiO2绝缘层符号jueyuanmcgjusgd铝N+铝P电子反型层耗尽层＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋正离子当vGS0时：将会在沟道中感应出更多的电子，使导电沟道变厚，沟道电阻变小，从而使漏极电流iD增大。当vGS0时：则会使导电沟道变薄，沟道电阻变大，从而使漏极电流iD减小。当vGS的负电压达到一定值时，反型层消失，不存在导电沟道，即使有漏源电压vDS，也不会有漏极电流iD。对应于沟道完全消失的栅源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-vT预夹断轨迹vDS=vGS-vT515饱和区vDSvGS-vTvGS1vGS2vGS3vGS4＝2VT截止区VT0vGS/ViD/mAacdIDOIDOvGS1vGS3vGS2vGS4=2VTvGS=VTabbcd2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线及电流方程(a)输出特性(b)转移特性01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-VP预夹断轨迹vDS=vGS-VP515饱和区vDSvGS-VPvGS1=-4VvGS=VPvGS2=-2VVvGS3=0VvGS4=2V截止区VPvGS/V0iD/mAvGS1vGS3vGS2vGS4246810246810IDSSiDdBsgN沟道耗尽型N沟道增强型比较2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线及电流方程(a)输出特性(b)转移特性01020iD/mAvDS/V可变电阻区vDSvGS-VP预夹断轨迹vDS=vGS-VP515饱和区vDSvGS-VPvGS1=-4VvGS=VPvGS2=-2VVvGS3=0VvGS4=2V截止区VPvGS/V0iD/mAvGS1vGS3vGS2vGS4246810246810IDSSiDdBsg当N沟道耗尽型MOS管工作在恒流区时：2)1(PGSDSSDVvIiIDSS是N沟道耗尽型MOS管工作在恒流区且vGS＝0时的漏极电流。例8.1电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？01020iD/mAvDS/V5156V8V10VvGS=4V+_vIvO+_VDD=15V(a)输出特性(b)电路iD11.52R=5kΩ解：（1）当vGS=vI=0V时，管子处于截止状态，iD＝0。所以vO=vDS=VDD-RiD=15V例8.1电路如图(b)所示，场效应管T的输出特性如图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？01020iD/mAvDS/V5156V8V10VvGS=4V+_vIvO+_VDD=15V(a)输出特性(b)电路iD11.52R=5kΩiD=1mA,（2）当vGS=vI=6V时，由图(a)可知，VT=4V,管子导通假设管子工作在恒流区，则vO=vDS=VDD-Ri