模拟电子技术第3章场效应管及其模拟电路

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、寿命长和省电的特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为两大类。(1)结型场效应管(JFET)(2)金属—氧化物—半导体场效应管(MOSFET)利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件利用半导体表面的电场效应进行工作，也称为表面场效应器件实际N沟道JFET的结构剖面图N+N+P+s源极g栅极d漏极N型导电沟道P+型衬底氧化层金属铝耗尽层dgsdgs图3-1(b)PJEFT的符号图3-1(a)NJFET的符号按导电沟道来分，JFET又分为N沟道和P沟道两种。JFET的符号如图3-1。箭头方向表示PN结正偏时的电流方向。JFET正常工作时，PN结必须反偏或者零偏。在一块N型半导体材料两边扩散出高浓度的P型区，形成两个PN结.两边P+型区引出两个电极并连在一起称为栅极g，在N型本体材料的两端各引出一个电极,分别称为源极s和漏极d。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。这种结构成为N沟道型JFET。vGS≤0vGS≥0vDS≥0vDS≤0栅极电流IG很小，呈现高阻特性3.1.1N沟道结型场效应管的输出特性曲线图3-2NJFET的输出特性VDSKAV+-DiDRDvDSGSVDD(a)(b)N沟道结型场效应管的输出特性曲线就是在栅源电压vGS一定时，漏极电流iD随漏源电压vDS的规律变化，即iD=f(vDS)|vGS=常数。如图3-2(a)，令vGS=0V，D、S之间加直流电压源VDD，调节VDD，使vDS由0V逐渐增大，测出相应的漏极电流iD随漏—源电压vDS变化的数据见表3-1。根据表中数据，可得到iD与vDS间的关系曲线如图3-2(b)所示。-+VGG图3-2NJFET的输出特性VDSK当vDS较小时，iD随vDS的变化近似于直线关系，即iD与vDS成比例；随着vDS的增大，上升率变缓，当vDS=VDSK（膝点值）后，再继续增大vDS，则iD基本保持不变；当vDS增至某一值时，iD急剧增大，进入击穿状态。改变vGS的值（满足vGS≤0），重复上述过程，可得到相应的iD=f(vDS)|vGS=常数的曲线，如图3-2(c)所示。(b)(c)图3-2(c)N沟道JFET的输出特性1.夹断电压vGS,off保持vDS不变（如vDS=10V），将vGS由0变为负值，并使vGS的绝对值增大，则iD减小，输出特性曲线下移；当vGS等于某一值时，iD近似等于零。我们把iD等于零时的栅—源电压vGS值称为夹断电压，记做vGS,off。有两种方法可以从输出特性曲线观察夹断电压vGS,off的值。其一，观察最接近横轴的那条曲线的vGS值，则vGS,off的值比它更负一些（对NJFET管）；其二，可以观察vGS=0V的那条曲线膝点所对应的横坐标值VDSK≈VGS,off。VGS,offID2.四个区，即恒流区（放大区）、可变电阻区、截止区和击穿区图3-2(c)中每条曲线的第一个膝点的连线是可变电阻区与恒流区的分界线，每条曲线的第二个膝点的连线是恒流区与击穿区的分界线。图3-2(c)N沟道JFET的输出特性恒流区可变电阻区截止区击穿区ID3.各个区的基本特征图3-2(c)N沟道JFET的输出特性①恒流区：vGS在一定范围内（N沟道JFET，VGS,offvGS0），vGS对iD有很强的控制作用，而vDS对iD的影响很小。iD相当于一个压控电流源，但不是线性控制。恒流区②可变电阻区：当vDS很小时，iD与vDS近似于线性关系，即vDS与iD的比值为一个电阻。当改变vGS时，直线斜率改变，即电阻值改变，故称为可变电阻区。在可变电阻区，D、S之间相当于一个压控电阻。可变电阻区③截止区：当|vGS||vGS,off|，iD=0时，D、S之间相当于开路。截止区击穿区④击穿区：表明PN结反向击穿，电流急剧增大，以至于毁坏JFET。因此，击穿区是禁用的。ID3.1.2N沟道结型场效应管的转移特性曲线转移特性是指vDS一定时，iD随vGS的变化规律，即iD=f(vGS)|vDS=常数3.1.2.1如何由输出特性曲线画出转移特性曲线选vDS=常数（如10V），在输出特性（图3-3a）的恒流区做垂直线，可得一组vGS和iD值，画出转移特性曲线如图3-3(b)所示。vDS取不同的值，转移特性曲线略有差别，只要vDS的取值在恒流区，所得曲线族趋于重合。图3-3由输出特性曲线画出转移特性曲线AV+-DiDRDvDSGSVDD图3-2(a)-+VGG3.1.2.2转移特性公式在结型场效应管的恒流区内，漏极电流iD与栅源电压vGS的关系遵从二次函数规律，即式(3-1)称为JFET的转移特性公式，。式中，IDSS称为栅—源短路时的漏极饱和电流，即vGS=0V的那一条输出特性曲线在恒流区所对应的iD值。vGS,off为夹断电压。2GSDDSSGS,off1viIV式(3-1)P沟道JFET的输出特性、转移特性与转移特性公式?P沟道JEFTE—MOSD—MOSN沟道转移特性JEFTE—MOSD—MOS转移特性对于P沟道的JFET，须要改变相应的电压极性（vDS为负，vGS为正，vGS,off为正）N沟道P沟道vGSvDSVGS,off≤0≥0＜0≥0≤0＞0iDIDSS＜0＜0＞0＞0dgsvGS≤0vDS≥0PNN图3-1(a)NJFET的符号dgs图3-1(b)PJEFT的符号vGS≥0vDS≤0NPPP沟道JFET的转移特性公式与N沟道JFET相同。2GSDDSSGS,off1viIV式(3-1)1)n沟道管，由电子导电。2)p沟道管，由空穴导电。按工作方式又可以分为：1)增强型管。栅压为零时不能导电。2)耗尽型管。栅压为零时管子能导电。JFET为耗尽型场效应管。于是出现四种MOSFET:增强型N沟道MOS（E-NMOSFET）耗尽型N沟道MOS（D-NMOSFET）增强型P沟道MOS（E-PMOSFET）耗尽型P沟道MOS（D-PMOSFET）在绝缘型场效应管中，应用最多的是金属—氧化物—半导体场效应管(MOSFET)。MOSFET从导电沟道的类型上分为：3.2.1N沟道增强型MOSFET3.2.1.1结构与电路符号1.栅极被一层很薄的SiO2绝缘，使栅极G与衬底（P型区）之间没有电流；从D到S或从S到D有两个方向相反的PN结，使得D到S或S到D不导通，没有初始导电沟道；2.衬底B可以内部与源级S相连，外引三个电极，也可以将B作为第4个电极引出来。3.电路符号中的沟道断开，以表示没有初始导电沟道，属于增强型。箭头方向，表示PN结正偏时电流从B流入，说明衬底相连的是P区，表明是N沟道MOSFET。N+N+耗尽层二氧化硅铝sgdP衬底引线图3-4N沟道MOSFET的结构与电路符号3.2.1.2工作原理G与S之间加电压vGS，二氧化硅中将产生一个由G指向B的电场。当vGS增大到某一值（开启电压vGS,th）时，电场将P区中的电子吸引到靠近SiO2的表面附近，使之成为以电子导电为主的感生N型层，将两个N区连通，形成N型导电沟道。因为沟道是静电场感应而生成，也称感生沟道（反型层）。此时，若D、S之间加电压，将会产生漏极电流iD（源极电流iS=iD）。vGS越大，N沟道越宽，漏极电流就越大。vGS对iD实现了压控作用。iD（或iS）成为压控电流源。VDDN+N+耗尽层二氧化硅铝sgP衬底引线N型感生沟道（反型层）VGGd铝图3-5增强型NMOS的工作原理3.2.2E-NMOSFET的特性曲线3.2.2.1E-NMOSFET的输出特性曲线E-NMOSFET的输出特性曲线与NJFET输出特性曲线的主要区别在于：①E-NMOSFET的控制电压vGS为正，而NJFET的控制电压vGS为负；②对E-NMOSFET而言，当vGSVGS,th（开启电压），产生感生沟道后才能对iD有控制作用，vGS的下限值为开启电压VGS,th，无上限的严格限制，没有漏极饱和电流IDSS，对NJFET而言，vGS的上限值为0，下限值为夹断电压VGS,off，有漏极饱和电流IDSS。与NJFET相似或相同的是分为四个区，即恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。图3-6(a)E-NMOSFET的输出特性曲线N-JFET的输出特性曲线图3-6(b)E-NMOSFET的转移特性曲线3.2.2.2E-NMOSFET的转移特性曲线(1)由输出特性画出转移特性的方法与NJFET相似。E-NMOSFET的转移特性如图3-6(b)所示。(2)转移特性公式当vGS≥vGS,th时，iD与vGS的关系也是二次函数，即式中，K为沟道系数，单位为mA/V2或μA/V2。K的大小由沟道的长、宽和单位面积的栅电容等因素决定。由图3-6(b)可以看出，当vGS=2vGS,th对应的电流值为ID2时，则K=ID2/V2GS,th。2DGSGS,thiKvV式(3-2)ID2VGS,th2VGS,th3.2.3N沟道耗尽型MOSFET耗尽型与增强型的根本区别在于有无初始的导电沟道。耗尽型有初始导电沟道，即vGS=0V时，已有初始导电沟道的存在；增强型没有初始导电沟道。因此耗尽型有夹断电压VGS,off和栅源短路时的漏极饱和电流IDSS。增强型则有开启电压VGS,th。结型场效应管属于耗尽型场效应管。3.2.3.1D-NMOSFET的输出特性曲线因为D-NMOSFET的vGS=0时，有初始沟道，所以vGS可以为正（感生沟道加宽，iD增大），也可以为负（感生沟道变窄，iD减小）。也就是说，耗尽型NMOSFET可以工作于零偏压方式、正偏压方式和负偏压方式。图3-7D-NMOSFET的输出特性曲线3.2.3.2D-NMOSFET的转移特性如图3-7所示，可由输出特性曲线画出转移特性。可见，转移特性的vGS取值范围比NJFET增加了正向区域。D-NMOSFET的转移特性公式在形式上与JFET的转移公式相同，即2GSDDSSGS,off1viIV式(3-3)式中，VGS,off、IDSS的意义与NJFET相同。不同点在于vGS的取值范围。同样，式(3-3)对D-NMOSFET和D-PMOSFET都适用。只要注意VGS,off的正、负值即可（D-NMOSFET：VGS,off为负值；D-PMOSFET：VGS,off为正值）。图3-7D-NMOSFET的输出特性曲线输出特性转移特性N—JEFTE—NMOSD—NMOSiD0vDS0vGS0VGS,off0IDSS0iD0vDS0vGS0VGS,th0IDSS0iD0vDS0vGS=0VGS,off0IDSS0P沟道JEFTE—MOSD—MOSN沟道P沟道JEFTE—MOSD—MOSN沟道2GSDDSSGS,off1viIV2DGSGS,thiKvV2GSDDSSGS,off1viIV转移特性方程3.3.1FET的主要参数1.耗尽型FET的主要直流参数（包括JFET）VGS,off、IDSS①漏极饱和电流IDSS：栅—源短路时（即vGS=0V）时的漏极饱和电流。所谓饱和电流是指vDS的变化对iD的影响很小，输出特性曲线进入恒流段的电流值。②夹断电压VGS,off：当栅源电压vGS等于夹断电压时，漏极（或源级）电流减小到近似等于零。在输出特性和转移特性曲线图中可以确定VGS,off的近似值。2.增强型MOSFET的主要直流参数①开启电压VGS,th：当|vGS||VGS,th|时，感生沟道产生，开始有漏极电流iD。②沟道系数K由生产厂家来提供，也可以自行测量。当vGS=2VGS,th时的漏极电流iD用ID2表示。根据转移特性方程可得，ID2=K(VGS,th)2，故K=IDS/V2GS,th。3.直流输入电阻RGS。JFET的直流输入电阻RGS在