第3章--场效应管及其基本

第3章场效应管及其基本电路第3章场效应管及其基本电路3–1结型场效应管3–2绝缘栅场效应管(IGFET)3–3场效应管的参数和小信号模型3–4场效应管放大器第3章场效应管及其基本电路3–1结型场效应管3–1–1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图3–1给出了JFET的结构示意图及其表示符号。第3章场效应管及其基本电路(b)DSGP型沟道NNDGS(a)DSGN型沟道PPDGS图3–1(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET第3章场效应管及其基本电路N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P++型区，形成两个PN结，将两个P++区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。第3章场效应管及其基本电路如图3–2所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG≈0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。第3章场效应管及其基本电路当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下，ID变小；反之，|UGS|变小，沟道变宽，沟道电阻变小，ID变大。当|UGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压UGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。第3章场效应管及其基本电路图3–2栅源电压UGS对沟道及ID(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0NDGS(a)PPUDSID＝IDSS(最大)第3章场效应管及其基本电路图3–2栅源电压UGS对沟道及ID(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0DS(b)PPUDSID减小UGS第3章场效应管及其基本电路图3–2栅源电压UGS对沟道及ID(a)UGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)UGS负压增大，沟道变窄，ID减小；(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0DS(c)PPUDSUGSID＝0第3章场效应管及其基本电路栅-源电压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UGS（off）第3章场效应管及其基本电路3–1–2结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即CuGSDDSufi)((3–1)理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即2)1(GSoffGSDSSDUuIi(3–2)第3章场效应管及其基本电路式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。转移特性曲线如图3–3(a)所示。为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。第3章场效应管及其基本电路图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线uGS/V0－1－2－312345IDSSUGSoffiD/mA(a)第3章场效应管及其基本电路图3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(a)转移特性曲线；(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区－2V－1.5V－1VUDS＝UGS－UGSoff515流区击穿区UGS＝0V(b)UGSoff－0.5V第3章场效应管及其基本电路二、输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图3–3(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系，uGS对iD的控制能力很强。第3章场效应管及其基本电路(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当|uDS-uGS||UGSoff|(3–3)时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图3–4(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。第3章场效应管及其基本电路2.可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS||UGSoff|时，即预夹断前(如图3–4(a)所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大，iD增大很快。与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻变大。如图3--3(b)所示)(DDSDSiur第3章场效应管及其基本电路DGS(a)UDSID＞0UGSDGS(b)UDSUGS沟道局部夹断ID＝IDSSPPPP图3–4uDS第3章场效应管及其基本电路3.截止区当|UGS||UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。第3章场效应管及其基本电路3–2绝缘栅场效应管(IGFET)3–2–1绝缘栅场效应管的结构如图3–5所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。第3章场效应管及其基本电路(a)源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底N＋N＋L耗尽层A1层SGD图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图第3章场效应管及其基本电路图3–5绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图SGDN＋N＋P型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B(b)半导体第3章场效应管及其基本电路3–2–2N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理如图3–6所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。第3章场效应管及其基本电路B(a)N＋UGSUDSN＋PN结(耗尽层)P型衬底图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号第3章场效应管及其基本电路图3–6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号B(b)N＋UDS导电沟道P型衬底UGSN＋DGS(c)B第3章场效应管及其基本电路二、转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图3–7所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD=0。(2)当uGSUGSth时，iD0，uGS越大，iD(3–4)所示。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui(3–4)第3章场效应管及其基本电路uGSUGSthiD0平方律曲线图3-7N沟道增强型MOSFET的转移特性第3章场效应管及其基本电路式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；μn——沟道电子运动的迁移率；Cox——单位面积栅极电容；W——沟道宽度；L——沟道长度(见图3–5(a))；W/L——MOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。第3章场效应管及其基本电路三、输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图3–8所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGS≤UGSth，导电沟道未形成，iD=0。第3章场效应管及其基本电路iD0uDSUGS＝6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击图3–8(a)输出特性；(b)厄尔利电压第3章场效应管及其基本电路图3–8(a)输出特性；(b)厄尔利电压uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)第3章场效应管及其基本电路(2)恒流区：·曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。·uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。·进入恒流区的条件，即预夹断条件为GSthGSDSUUU(3–5)第3章场效应管及其基本电路因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(3–9所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。第3章场效应管及其基本电路BUDS预夹断P型衬底UGSN＋N＋图3–9uDS增大，(预夹断)情况第3章场效应管及其基本电路沟道调制系数λ。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3--8(b))，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，λ越小。11AU(3–6)第3章场效应管及其基本电路考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为22)(2)1()(2GSthGSoxnDDSGSthGSoxnDUuLWCuiuUuLWCui但由于λ1，沟道调制效应可忽略，则(3)可变电阻区：可变电阻区的电流方程为])(2[22DSDSGSthGSoxnDuuUuLWCui(3–8)(3–7b)(3–7a)第3章场效应管及其基本电路GSthGSoxnDDSDSDSGSthGSoxnDUuWCuLdidurUUuLWCui1)(2可见，当uDS(uGS-UGSth)时(即预夹断前)那么，可变电阻区的输出电阻rDS为式(3–10)表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻(3–10)(3–9)第3章场效应管及其基本电路3–2–3N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)增强型N沟道MOSFET在uGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，uGS=0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na++或K++)，形成许多正电中心。这些正电中心的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。第3章场效应管及其基本电路由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS0，就有漏极电流。如果uGS0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失，iD=0，管子进入截止状态。综上所述，N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图3–10(a),(b),(c)所示。第3章场效应管及其基本电路iDuGSUGSoff0(a)ID0图3–10N沟道耗尽型MOS(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号第3章场效应管及其基本电路图3–10N沟道耗尽型MOS(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符