模拟电子技术基础(高等教育出版社 第四版) 1.4 场效应管

1.4场效应管及其放大电路1.4.1结型场效应管1.4.2绝缘栅型场效应管1.4.3场效应管的主要参数1.4.4场效应管与晶体管的比较场效应管(FET：fieldeffecttransistor)场效应管(FET)是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。由于它仅靠半导体中多数载流子导电，又称单极型晶体管(普通晶体管靠半导体中多子和少子两种载流子导电，故称双极型晶体管)。根据结构不同，场效应管分为两大类：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。场效应管FET结型JFET绝缘栅型MOSFET(IGFET)N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管（以N沟道为例）场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.4.1结型场效应管导电沟道源极栅极漏极1.符号和结构示意图(1)栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断uDS=0且uGS=0耗尽层很窄，导电沟道最宽UGS（off）2.工作原理uGS0,|uGS|增大耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻变大|uGS|=UGS（off）耗尽层闭合，沟道消失沟道电阻无穷大(2)漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响①UGS(off)uGS0(存在导电沟道)若uDS=0,多子不会产生定向移动,因而漏极电流iD为零。若uDS加正向电压，使N沟道中的多数载流子（电子）在电场力作用下，由源极向漏极运动，形成漏极电流iD，使沟道电压从源极到漏极逐渐增大，靠近漏极处的耗尽层增宽，沟道变窄，沟道呈楔形。沟道呈楔形②uGD=uGS-uDS，uDS↑→uGD↓→耗尽层靠拢，iD随uDS增大而增大，呈现电阻特性。当uDS增加到使uGD=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。预夹断③预夹断后，uDS↑→夹断长度↑，但由于电场的作用，仍能将电子拉过夹断区形成iD。而此时夹断区长度增加又限制了iD增加，使iD基本不变，呈恒流特性。(2)漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响(3)uGDUGS(off)时,uGS对iD的控制uGD=uGS-uDSUGS(off),即uDSuGS-UGS(off)，iD基本不随uDS的增加而增大，漏极电流iD趋于饱和，输出电流iD受uGS控制，故场效应管是一种电压控制元件。低频跨导：GSDmuig场效应管用低频跨导gm来描述动态的栅源电压对漏极电流的控制作用；晶体管用交流电流放大系数β=ΔiC/ΔiB来描述动态的基极电流对集电极电流的控制作用，故称晶体管为电流控制元件。结型场效应管小结1.当uDS使uGDUGS(off)（即g-d间未出现夹断），对应不同的uGS，d-s间等效为不同阻值电阻。2.当uDS使uGD=UGS(off),d-s间预夹断。3.当uDS使uGDUGS(off),iD电流由uGS决定，与uDS无关。将iD近似看成uGS控制的电流源。uGD=uGS-uDS→比较uGD和UGS(off)漏-源电压对漏极电流的影响uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。uGDUGS（off）uGDUGS（off）输出特性曲线场效应管有三个工作区：可变电阻区、恒流区、夹断区常量GS)(DSDUufi预夹断轨迹uGD＝UGS（off）可变电阻区可变电阻区：预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受uGS控制的可变电阻区。g-s电压控制d-s等效电阻输出特性曲线恒流区：又称为放大区或饱和区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。其特点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特性曲线是一族平行线。恒流区iD几乎仅决定于uGS因此，在该区域iD可视为一个受电压uGS控制的电流源。JFET用作放大管时，一般就工作在这个区域。输出特性曲线夹断电压夹断区：当uGSuGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD≈0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。将iD等于很小电流时的uGS定义为夹断电压UGS(off)。夹断区（截止区）击穿区：当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域为击穿区。栅漏击穿电压记为U(BR)GD。通常不允许场效应管工作在击穿区，否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的uDS值称为漏源击穿电压，记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-U(BR)GD。击穿区常量GS)(DSDUufig-s电压控制d-s的等效电阻输出特性曲线常量DSGSDmUuig预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：饱和漏极电流常量DS)(GSDUufi夹断电压漏极饱和电流转移特性在恒流区中iD的近似表达式：）（0)1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。由于在恒流区内，不同uDS作用下iD基本不变。因此可以用一条转移特性曲线来表示恒流区内iD与uGS的关系。在输出特性曲线的恒流区中作一条垂直于横轴的垂线。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应管在UDS一定的条件下iD与uGS关系。1.4.2绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅极与源极之间PN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是PN结反偏时总会有反向电流存在，而且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高，这种结构的管子称为绝缘栅型场根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层，称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET,MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），简称MOS管。1.4.2绝缘栅型场效应管uGS对导电沟道的影响:uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。使沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压UGS（th）。结构和电路符号:SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启一、N沟道增强型MOS管uDS对iD的影响:用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。iD随uDS的增大而增大，可变电阻区uGD＝UGS（th）,预夹断iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻二、N沟道耗尽型MOS管耗尽型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子uGS小到一定值才夹断，为夹断电压UGS（OFF）uGS=0时就存在导电沟道结构和电路符号:三、MOS管的特性(1)增强型MOS管(2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压DGS(th)GSDO2GS(th)GSDOD2)1(iUuIUuIi时的为式中在恒流区时，场效应管的分类)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS＜极性任意，沟道＞极性任意，沟道耗尽型＜，＜沟道＞，＞沟道增强型绝缘栅型＜，＞沟道＞，＜沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuu工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性1.4.3场效应管的主要参数1．直流参数（1）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5μΑ）时的uGS。它是增强型MOSFET的参数。（2）夹断电压UGS(off)：uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5μA）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。（3）饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在uGS=0产生预夹断时的漏极电流。（4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的RGS(DC)107Ω，而MOSFET的RGS(DC)109Ω。2.交流参数（1）低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量ΔiD和引起它变化的微变量ΔuGS之比，即常数DSUGSDmuig（2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为1~3pF，而漏-源间极间电容Cds约为0.1~1pF。它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。gm是转移特性曲线某一点切线的斜率，由于转移特性曲线的非线性,因而iD越大，gm越大。3．极限参数（1）最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。（2）击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS——管子进入恒流区后，使iD急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。栅源击穿电压U(BR)GS——对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。（3）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。1.4.4场效应管和晶体管的比较三极管场效应管导电机构双极型器件单极型器件导电方式多子和少子多子控制方式电流控制电压控制类型NPN型、PNP型P、N沟道，增强、耗尽型放大参数β=30~100gm=1~6ms输入电阻102~104Ω107~1015Ω抗辐射能力差好噪声大小热稳定性差好制造工艺复杂简单、成本低；便于集成灵活性C、E不能互换D、S可以互换讨论uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＞0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＜0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？