场效应管

第4章场效应管放大电路4.1结形场效应管4.2砷化镓金属-半导体场效应管4.3金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5各种放大器件电路性能比较4.1场效应晶体管(FET）分类和结构：结型场效应晶体管JFET绝缘栅型场效应晶体管IGFETNPPN结耗尽层PN沟道G门极D漏极S源极P衬底NN源极门极漏极SGDJFET结构IGFET结构N沟道4.1结型场效应晶体管JFET1)P沟道和N沟道结构及电路符号N沟道G门极D漏极S源极gdsN沟道结构及电路符号P沟道G门极D漏极S源极gdsP沟道结构及电路符号2)工作等效（以P沟道为例）UgsIsId1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区；ID=UDs/RDsRDSPNNGIDIS=IDPN结PN结++-UGS增大耗尽层加厚。UGS=0：ID=IDSS电路图等效图2）恒流工作（电压控制电流源）GID+RDVDDDSPN结加反向电压（Ugs)使沟道微闭合时电流ID与UDS无关，称恒流区。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN结PN结++-耗尽层闭合时UGS=VPRDVDDUGS电路图等效图3）截止工作PNNGID=0IS=IDPN结PN结++-RDVDDUGS耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去栅极电压UGS大于等夹断电压UP时，ID=0相当一个很大的电阻3)、JFET的主要参数1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的IDudsidvgs=常数vgsidUds=常数∂uGS∂id5)极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。PDM最大漏极允许功耗，与三极管类似。3)、电压控制电流系数gm=4）交流输出电阻rds=4）特性曲线：与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：0ugs(v)-4-3-2-1idmA54321VPIDSSN型JFET的转移曲线UDS可变电阻区截止区IB≤0UDS=UGS-VPN型JFET的输出特性曲线-4V-2.0V-1VUGS=0Vma（V）ID放大区0击穿区Sect4.3MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFETN沟道增强型MOS场效应管结构4.3.1增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管Sect当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。UDSID++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管SectN沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数LWCKOXn2LWK2nSK2DSULLn—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道长宽比K'—本征导电因子SectN沟道增强型MOS场效应管特性曲线UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线ID=f(UDS)UGS=C输出特性曲线1.可变电阻区：ID与UDS的关系近线性ID≈2K(UGS-UT)UDS0dUDDSonGSdIdUR2K1UU1TGSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区SectN沟道增强型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用UDS=UDG＋UGS=－UGD＋UGSUGD=UGS－UDS当UDS为0或较小时，相当UGD＞UT，此时UDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成IDSectSect基础知识当UDS增加到使UGD=UT时，当UDS增加到UGDUT时，增强型MOS管漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。MOS管衬底的处理保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态NMOS管—UBS加一负压PMOS管—UBS加一正压处理原则：处理方法：SectN沟道耗尽型MOS场效应管结构4.3.2耗尽型MOS场效应管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道SectN沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。UGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线转移特性曲线在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UP)2沟道较短时，ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)UPID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：SectN沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0Sect4.3.3各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型Sect绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型Sect场效应管的主要参数直流参数交流参数极限参数Sect2.夹断电压UP夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压UT开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。Sect4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，绝缘栅场效应三极管RGS约是109～1015Ω。5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压Sect1.低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用CUCUGSDmBSDSdUdIggm的求法:①图解法—gm实际就是转移特性曲线的斜率②解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2)U2K(UgTGSmSect2.衬底跨导gmb反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用CUCUBSDmGSDSdUdIgbmmbgg——跨导比Sect3.漏极电阻rdsCUCUDDSdGSBSdIdUrs反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率4.导通电阻RonCUCUDDSGSBSdIdUonR在恒阻区内mg1Sect5.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容Cgb—栅极与衬底间电容Csd—源极与漏极间电容Csb—源极与衬底间电容Cdb—漏极与衬底间电容主要的极间电容有：Sect4.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和PMOS两种：1)NMOS（MetalOxidizedSemiconductor)NMOS（D）P衬底NN源极门极漏极SGD增强型N沟道示意B基底NMOS（E）P衬底NN源极门极漏极SGD耗尽型N沟道示意B基底Sio2Sio2N沟道GDSGGGBB++2）P沟道MOS（MetalOxidizedSemiconductor)N衬底PP源极门极漏极SGD增强型P沟道示意B基底PMOS（E）N衬底PP源极门极漏极SGD耗尽型P沟道示意B基底Sio2Sio2P沟道GDSGGGBB--PMOS（D）(1)工作状态示意图P衬底NNSGDUGSUDSBID耗尽区++++----GDSBIDUDSUGS(2)IGFET工作原理(NMOS)耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT，（相当于三极管死区电压）。当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。ID=ID0（-1）2；IDO为2VT时的ID当UDS小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区UGSVT∂uGS∂iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT(3)IGFET（E）特性曲线UDS可变电阻区截止区IB≤0UDS=UGS-VTNMOS的输出特性曲线2.0V4.0V6.0VUGS=8.0VμAID放大区0击穿区UDS=5VUGSVIDμA024682001501005020015010050NMOS的转移特性曲线(4)主要参数：1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDO;VGS=2VT时的ID3)、电压控制电流系数gm=也称跨导（互导）4）交流输出电阻rds=5)极限参数：V（BR）DS漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS栅源间的最高反向击穿PDM最大漏极允许功耗，与三极管类似。vgsidUds=常数udsidvgs=常数∂uds∂id2IDID0VT=3）FET的三种工作组态以NMOS（E）为例：IDGRDSBUDSUGS输入输出共源组态：输入：GS输出：DSGRDDBUDSUGS输入输出共漏组态：输入：GS输出：DSGRDSBUDS输入输出共栅组态：输入：GS输出：DS一.结型场效应管1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极D：漏极S：源极符号：4.4场效应管放大电路2.结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压VGS，令VDS=0①当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│VGS│到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压Up——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。（2）漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压VDS，令VGS=0由于VGS=0，所以导电沟道最宽。①当VDS=0时，ID=0。②VDS↑→ID↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当VDS↑，使VGD=VGS-VDS=VP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，VDS↑→ID↑。预夹断后，VDS↑→ID几乎不变。④VDS再↑，预夹断点下移。（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用可用输两组特性