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第4章场效应管及其电路本章要点MOS管的原理、特性和主要参数结型场效应管原理、特性及主要参数场效应管放大电路的组成与原理本章难点MOS管的原理和转移特性及主要参数场效应管的微变等效电路法场效应管(FET)是一种电压控制器件,它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点,目前已被广泛应用于各种电子电路中。场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET)两种,其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单,便于大规模集成,因此应用更为广泛。4.1绝缘栅场效应管(MOSFET)绝缘栅型场效应管简称MOS管,由于其内部由金属—氧化物—半导体三种材料制成,可分为增强型和耗尽型两大类,每一类中又有N沟道和P沟道之分。下面主要讨论N沟道增强型MOS管的工作原理,其余三种仅做简要介绍。4.1.1N沟道增强型场效应管(NMOS管)1.结构N沟道增强型MOS管的结构如图4-1(a)所示。它是在一块掺杂浓度较低的P型硅片(称为衬底)上,通过扩散工艺形成两个高掺杂的N区,通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D,再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层,在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极,作为栅极G,另外从衬底引出衬底引线B(工作时通常与源极S接在一起)。在两个N区之间的半导体区,是载流子从源极S流向漏极D的通道,把它称为导电沟道。由于栅极与导电沟道之间被二氧化硅所绝缘,故将此类场效应管称为绝缘栅型。图4-1(b)是N沟道增强型MOS管的符号,其中箭头方向是由P(衬底)指向N(沟道),由此可判断沟道类型。符号中的三条断续线表示GS0U不存在导电沟道,它是判断增强型MOS管的特殊标志。第4章场效应管及其电路71(a)结构示意图(b)电路符号图4-1N沟道增强型MOS管2.工作原理工作时,N沟道增强型MOS管的栅源电压GSu和漏源电压DSu均为正向电压,如图4-2所示。图4-2N沟道增强型MOS管工作原理(1)栅源电压GS0u时的情况此时,漏源之间为一条由半导体N-P-N组成的两个反向串联的PN结,因此即使加入漏源电压DSu,因无导电沟道形成,漏极电流D0i,如图4-2(a)所示。(2)栅源电压GS0u,漏源电压DS0u时的情况由于源极与衬底相连,所以从栅极经绝缘层到衬底间形成了垂直于半导体表面的电场。该电场排斥P衬底的多子(空穴),同时吸引其中的少子(电子),当栅源间的正电压达到某一数值后,在P衬底靠近栅极的表面就会形成以自由电子为主体(即N型半导体)的导电薄层。这种由P型半导体转化成的N型薄层,被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导体N-N-N组成的导电沟道,如图4-2(b)所示。若此时加入漏源电压DSu,就会有漏极电流Di产生。我们把开始出现漏极电流Di时的栅源电压GSu称作开启电压,用TU模拟电子技术72表示。栅源电压大于TU后,GSu越大,垂直电场就越强,反型层越厚,导电沟道的断面就越宽,加上漏源电压DSu后形成的电流Di就越大,体现出“增强型”的含义。由此可以看出,通过改变GSu的大小,能够起到控制输出电流Di的目的。3.特性曲线(1)转移特性曲线转移特性曲线是指增强型NMOS管在漏源电压DSu一定时,输出电流Di与输入电压GSu的关系曲线,即DGSDS()ifuu常数它表示在某一固定的DSu下,输入电压GSu对输出电流Di的控制特性,图4-3(a)所示的为DS10V=u的一条转移特性曲线,曲线上D0=i处的GSu值就是开启电压TU。转移特性曲线的表达式为2GSDDOT1uiIU-(GSTuU)(4-1)式中,DOI是GST2uU时的Di值,TU为开启电压。(2)输出特性曲线输出特性是指增强型NMOS管在栅源电压GSu一定时,输出电流Di与漏源电压DSu的关系曲线,即DDSGS()ifuu常数如图4-3(b)所示,下面参照输出特性曲线,简单分析DSu对Di的影响情况。图4-3N沟道增强型MOS管特性曲线在正向电压DSu的作用下,Di自漏极流至源极,于是在导电沟道上就产生了压降,使得沟道上各点与栅极间的电压不再相等,靠近漏极附近的电压GDu小于源极附近的电压GSu。漏极附近的电场减弱,反型层变薄,导电沟道呈楔形,如图4-4所示。若DSu值较小,沟道形状变化不大,Di与DSu成线性关系,若DSu再继续增大,漏极附近的沟道将变得更薄,直至GDTuU时沟道被夹断,此后随着DSu的增大,夹断区向源极方向延伸,漏极电流Di趋于饱和。第4章场效应管及其电路73图4-4NMOS管DSu对Di的影响情况4.1.2P沟道增强型场效应管(PMOS管)P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同,P沟道增强型MOS管以N型硅作为衬底,另外,漏极和源极是从P引出,反型层为P型,对应的导电沟道也为P型结构,其符号如图4-5所示。DSG衬底VT图4-5P沟道增强型MOS管电路符号在工作过程中,P沟道增强型MOS管的GSu、DSu的极性与N沟道增强型MOS管相反,均为负值,因此其开启电压TU值也为负。至于P沟道增强型MOS管的工作过程与N沟道增强型MOS管大体相同,这里不再赘述。另外,在实际应用中,常常将P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管结合起来使用,称为CMOS,也可称为互补MOS。由CMOS构成的电路在功耗、抗干扰能力方面都优于由晶体管构成的电路,同时它还具有结构简单,便于大规模集成、制造费用较低等特点。因此由CMOS构成的集成逻辑电路越来越得到广泛应用。4.1.3N沟道耗尽型场效应管N沟道耗尽型MOS管在制造时,在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。因而即使GS0=u,P衬底表面也可感应出较多的自由电子,形成反型层,建立起导电沟道,其结构如图4-6(a)所示。我们将GS0=u时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管,符号中导电沟道用实线表示,如图4-6(b)。此时若接入正向的DSu,就会有漏极电流Di(即饱和漏极电流DSSI)产生;当GS0u时,垂直电场增强,沟道变宽,电流Di增大;当模拟电子技术74GS0u,垂直电场削弱,沟道变窄,Di减小;当GSPuU(夹断电压)时,导电沟道消失,D0=i(耗尽)。(a)结构示意图(b)电路符号图4-6N沟道耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOS管其漏极电流Di和栅源电压GSu之间的关系表达式为2GSDDSSP1uiIU-(4-2)式中DSSI为饱和漏极电流,PU为夹断电压。4.1.4P沟道耗尽型场效应管P沟道耗尽型MOS管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与N沟道耗尽型MOS管的对偶外,还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子,其符号如图4-7所示。DSG衬底VT图4-7P沟道耗尽型MOS管电路符号4.2结型场效应管(JFET)4.2.1结型场效应管的结构结型场效应管的电极也是漏极D、源极S和栅极G,与绝缘栅型场效应管不同的是漏极D和源极S通常可以对调使用。结型场效应管也可分为N沟道和P沟道两种,可以通第4章场效应管及其电路75过符号中箭头的方向来加以区分。JFET结构示意图和符号如图4-8所示。GDS耗尽层漏极源极栅极TextP+P+TextN沟道SDGVT(a)结构示意图(b)电路符号图4-8结型场效应管4.2.2结型场效应管的工作原理N沟道和P沟道JFET的工作原理相同,下面以N沟道结型场效应管为例进行说明。为便于进一步说明GSu对导电沟道的影响,先假设DS0u。当GS0u时,如图4-9(a)所示,场效应管两侧的PN结均处于零偏置,因此耗尽层很薄,中间的导电沟道最宽,沟道等效电阻最小。当GS0u时,在GSu作用下,场效应管两侧的耗尽层加宽,相应的中间导电沟道变窄,沟道等效电阻增大,如图4-9(b)所示。当GSu的反偏值增大到某一值时,场效应管两侧的耗尽层相接,导电沟道消失,这种现象称为夹断,如图4-9(c)所示,发生夹断时的栅源电压即为夹断电压PU。此时,沟道等效电阻趋于无穷大,即使加入DSu,漏极电流Di依然为零。假设在漏源间加入电压DSu,当GSu变化时,沟道中流过的电流Di将因沟道电阻的变化而变化。图4-90DSu时,GSu对导电沟道的影响模拟电子技术764.2.3特性曲线1.输出特性曲线图4-10(a)就是N沟道结型场效应管的输出特性曲线,由图可见,其工作状态分为四个区域。图4-10N沟道JFET特性曲线(1)可变电阻区DSu较小,场效应管尚未出现预夹断的区域。该工作区的特点是:Di与DSu近似成线性关系,改变GSu曲线斜率就发生变化。因此,工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅源电压GSu控制的可变电阻,即压控电阻。(2)恒流区DSu较大超过PU,输出特性曲线趋于水平的区域。在这一区域内,Di与DSu无关,只受GSu控制,是一个受电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时,均工作在这一区域,所以又称为放大区。(3)击穿区DSu值很大,超过漏源击穿电压(BR)DSU,漏极电流Di迅速上升,对应输出特性曲线上翘的部分。击穿后场效应管不能正常工作,甚至很快烧毁,因此,不允许场效应管工作在此区域。(4)截止区输出特性曲线靠近横轴,漏极电流D0i的区域。此时GSPUU≤,导电沟道被完全夹断,故也被称为夹断区。2.转移特性曲线N沟道JFET转移特性曲线如图4-10(b)所示,在转移特性曲线上,GS0u处的DDSSiI,而D0i处的GSPuU。在恒流区,Di与GSu之间的关系可近似表示为2GSDDSSP1uiIU-条件为:PDS(BR)DSUuU≤≤,PGS0Uu≤≤第4章场效应管及其电路77各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线归纳于表4-1,可供选用时参考。表4-1各种场效应管的符号、电压极性以及特性曲线的比较类型符号和外接电压输出特性转移特性N沟道增强型IGFETP沟道增强型IGFETN沟道耗尽型IGFETP沟道耗尽型IGFETN沟道JFETP沟道JFET模拟电子技术784.2.4场效应管的主要参数及使用注意事项1.场效应管的主要参数(1)夹断电压PU为耗尽型管子(含结型)的参数,是指DSu为某一定值而Di减小到某一微小值时的GSu值。在转移特性曲线上,D0i处的GSu值即为PU。(2)饱和漏极电流DSSI为耗尽型管子的参数,是在GS0u时,场效应管处于预夹断时的漏极电流。在转移特性曲线上,GS0u处的Di值即为DSSI。(3)开启电压TU为增强型MOS管的特有参数,是指DSu为某一定值,使漏极电流Di为某一微小值(接近于0)时所需的最小GSu值。(4)直流输入电阻GSR指在漏源电压短路(DS0u)时,栅源电压GSu与栅极电流的比值。由于输入端是反偏的PN结,因此GSR很大,通常JFET的7GS10R,IGFET的9GS10R。(5)低频跨导mg在DSu为某一常数时,Di的微变量与相应的GSu微变量之比值,即DSDmGSdduigu常数(4-3)mg反映了栅源电压GSu对漏极电流Di的控制能力,是表征FET放大能力的一个重要参数。单位为西门子(S),常用的还有mS和µS。对于不同类型的场效应管当其工作于恒流区时,mg可分别由式(4-1)(4-2)求导得出。(6)漏源击穿电压(BR)DSU指漏极附近发生击穿时的漏源电压DSu,它是漏、源间所能承受的最大电压。(7)栅源击穿电压(BR)GSU它是栅、源间所能承受的最大电压。对于JFET是指栅极与沟道间的PN结的反向击穿电压,对于IGFET是指绝缘层击穿时的电压。(8)最大漏极电流DMI指管子在工作时允许的最大漏极电流。(9)最大耗散功率DMP耗散功率DMDSDPUI,而DMP与晶体管的CMP意义相同,它受管子最高工作温度和散热条件的限制。表4-2列出了部分场效应管的型号和主要参数。2.使用注意事项(1)场效应管的漏极和源极通常情况下可以互换使用,但对于出厂时已将源极和衬底连接在一起的场效应管,
本文标题:场效应管及其电路
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