第四章场效应管放大电路

第1页共19页第四章场效应管放大电路本章内容简介场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。（一）主要内容:结型场效应管的结构及工作原理金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理场效应管放大电路的静态及动态性能分析（二）教学要点：了解结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数掌握用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路的静态及动态性能了解三极管及场效应管放大电路的特点（三）基本要求:介绍结型场效应管和MOS管的工作原理、特性曲线，重点介绍用公式法和小信号模型分析法分析其放大电路静态及动态性能。第2页共19页4.1结型场效应管4.1.1JFET的结构和工作原理1.结构在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的PN结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：栅极g—基极b；源极s—发射极e；漏极d—集电极c夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如图所示。2.工作原理vGS对iD的控制作用为便于讨论，先假设漏－源极间所加的电压vDS=0。(a)当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小。(b)当vGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于第3页共19页N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS|的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|vGS|进一步增大到一定值|VP|时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏－源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅－源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。在预夹断处：VGD=VGS－VDS=VP上述分析表明:(a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。(b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。(c)上述效应也可以看作是栅－源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。vDS对iD的影响设vGS值固定，且VPvGS0。(a)当漏-源电压vGS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。(b)在vDS的作用下,导电沟道呈楔形由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为|VGD|)，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形。(c)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；第4页共19页另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的PN结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS-vDS=VP(夹断电压)时，沟道预夹断此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。(e)若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即VGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和，因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用v(BR)DS表示)后，漏极一端PN结上反向电压将使PN结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过v(BR)DS。综上分析可知：沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS，呈近似线性关第5页共19页系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。4.1.2JFET的特性曲线及参数1.输出特性；2.转移特性3.主要参数①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：④输出电阻rd：⑤直流输入电阻RGS：⑥最大漏源电压V(BR)DS：⑦最大栅源电压V(BR)GS：⑧最大漏极功耗PDM：小结：本节主要介绍了结型场效应管的简单工作原理。作业：4.1.1,4.1.3第6页共19页4.3金属-氧化物-半导体场效应管结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。本节介绍的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高的输入电阻，可1015欧姆。并具有是制造工艺简单、适于集成电路的优点。MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种。增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道存在。而耗尽型MOS管在vGS=0时，就有导电沟道存在。4.3.1N沟道增强型MOS管的结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。第7页共19页N沟道增强型MOS管的工作原理vGS对iD及沟道的控制作用vGS=0的情况从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。vGS0的情况若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。电场的作用：这个电场能排斥空穴而吸引电子。排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。导电沟道的形成：当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附第8页共19页近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅—源极电压称为开启电压，用VT表示。结论：上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。vDS对iD的影响如图(a)所示，当vGSVT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDSvGS–VT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS第9页共19页－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。4.3.2N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数1．特性曲线和电流方程输出特性曲线N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.iD与vGS的近似关系与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为(vGS＞VT)第10页共19页式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。2.参数MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。4.3.3N沟道耗尽型MOS管1.基本结构结构：N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏－源极间已有导电沟道产生增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟第11页共19页道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS0，VPvGS0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。图(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。电流方程：在