模拟电子技术(江晓安)(第三版)第4章剖析

第四章场效应管放大电路第四章场效应管放大电路4.1结型场效应管4.2绝缘栅场效应管4.3场效应管的主要参数4.4场效应管的特点4.5场效应管放大电路第四章场效应管放大电路4.1结型场效应管4.1.1结构结型场效应管有两种结构形式。图4－1(a)为N型沟道结型场效应管。图4－1(b)是P型沟道结型场效应管。其电路符号如图4－1(c)、(d)以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的两边,利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区,使之形成两个PN结,然后将两边的P+型区连在一起,引出一个电极,称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极,分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道,称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子,故此沟道称为N型沟道。同理,P型沟道结型场效应管中,沟道是P型区,称为P型沟道,栅极与N+型区相连。电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。第四章场效应管放大电路图4-1结型场效应管的结构示意图和符号第四章场效应管放大电路4.1.2工作原理1.UGS对导电沟道的影响为便于讨论,先假设UDS=0当UGS由零向负值增大时,PN结的阻挡层加厚,沟道变窄,电阻增大，如图4－2(a)、(b)所示。若UGS的负值再进一步增大,当UGS=-UP时两个PN结的阻挡层相遇,沟道消失,我们称为沟道被“夹断”了,UP称为夹断电压,无载流子通道,如图4－2(c)所示。第四章场效应管放大电路图4-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意第四章场效应管放大电路2.ID与UDS、UGS之间的关系假定栅、源电压|UGS|＜|UP|,如UGS=-1V,而UP=-4V,当漏、源之间加上电压UDS=2V时,沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降,这样沟道上各点的电位就不同,因而沟道内各点与栅极之间的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高,如UDG=UDS-UGS=2-(-1)=3V,沿着沟道向下逐渐降低,使源极端为最低,如USG=-UGS=1V,两个PN结的阻挡层将出现楔形,使得靠近源极端沟道较宽,而靠近漏极端的沟道较窄，如图4－3(a)所示。此时,若增大UDS,由于沟道电阻增长较慢,所以ID随之增加。当UDS进一步增加到使栅、漏间电压UDG等于UP时,即第四章场效应管放大电路UDG=UDS-UGS=UP(4－1)则在D极附近,两个PN结的阻挡层相遇,如图4－3(b)所示,我们称为预夹断。如果继续升高UDS,就会使夹断区向源极端方向发展,沟道电阻增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同,故这一期间ID趋于一恒定值,不随UDS的增大而增大,此时,漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负,沟道电阻越大,ID便越小,直到UGS=UP,沟道被全部夹断,ID=0,如图4－3(c)所示。第四章场效应管放大电路图4-3UDS对导电沟道和ID的影响第四章场效应管放大电路4.1.3特性曲线1.输出特性曲线常数GSUDSDUfI)(图4－4为N沟道结型场效应管输出特性曲线。以UGS为参变量时,漏极电流ID与漏、源电压UDS之间的关系,称为输出特性,即(4－2)根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。第四章场效应管放大电路图4—4N沟道结型场效应管的输出特性第四章场效应管放大电路(1)可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分,图中用阴影线标出。此区的特点是:固定UGS时,ID随UDS增大而线性上升,相当于线性电阻；改变UGS时,特性曲线的斜率变化,即相当于电阻的阻值不同。UGS增大,相应的电阻增大。因而在此区域,场效应管可看做一个受UGS控制的可变电阻,即漏、源电阻RDS=f(UGS)(2)恒流区。该区的特点是:ID基本不随UDS而变化,仅取决于UGS的值,输出特性曲线趋于水平,故称为恒流区或饱和区。当组成场效应管放大电路时,为防止出现非线性失真,应使工作点设置在此区域内。第四章场效应管放大电路(3)击穿区。位于特性曲线的最右部分,当UDS升高到一定程度时,反向偏置的PN结被击穿,ID将突然增大。由于UGS愈负时,达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小,故对应于UGS愈负的特性曲线击穿越早。其击穿电压用BUDS表示,当UGS=0时,其击穿电压用BUDSS(4)截止区。当｜UGS｜≥｜UP｜时,管子的导电沟道处于完全夹断状态,ID=0,场效应管截止。第四章场效应管放大电路2.转移特性曲线常数DSUGSDUfI)(图4－5所示为N沟道结型场效应管的转移特性曲线。当漏、源之间的电压UDS保持不变时,漏极电流ID和栅、源之间电压UGS的关系称为转移特性,即它描述了栅、源之间电压UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见,UGS=0时,ID=IDSS称为饱和漏极电流。随｜UGS｜增大,ID愈小,当UGS=-UP时,ID=0。UP称为夹断电压。(4-3)第四章场效应管放大电路图4-5N沟道结型场效应管的转移特性曲线第四章场效应管放大电路21PGSDSSDUUII结型场效应管的转移特性在UGS＝0~UP范围内可用下面近似公式表示:(4－4)转移特性和输出特性同样是反映场效应管工作时UDS、UGS和ID三者之间关系的,所以它们之间是可以相互转换的。如根据输出特性曲线可作出转移特性曲线,其作法如下:在输出特性曲线上,对应于UDS等于某一固定电压作一条垂直线,将垂线与各条输出特性曲线的交点所对应的ID、UGS转移到ID-UGS坐标中,即可得转移特性曲线,如图4－6第四章场效应管放大电路由于在恒流区内,同一UGS下,不同的UDS、ID基本不变,故不同的UDS下的转移特性曲线几乎全部重合,因此可用一条转移特性曲线来表示恒流区中UGS与ID在结型场效应管中,由于栅极与沟道之间的PN结被反向偏置,,其输入电阻可达107Ω以上。当需要更高的输入电阻时,则应采用绝缘栅场效应管。第四章场效应管放大电路图4-6由输出特性画转移特性第四章场效应管放大电路4.2绝缘栅场效应管4.2.1N沟道增强型MOS场效应管1.结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如图4－7所示。把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底,然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层,再在SiO2层上刻出两个窗口,通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示),并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝,分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也接出一根引线,通常情况下将它和源极在内部相连。第四章场效应管放大电路图4-7N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图第四章场效应管放大电路2.工作原理UGS来控制PN结的阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽度,达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管则是利用UGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流ID对于N沟道增强型的MOS场效应管,当UGS=0时,在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底,因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以,无论漏、源之间加上何种极性的电压,总是不导通的,即ID=0。第四章场效应管放大电路图4-8UGS＞UT时形成导电沟道第四章场效应管放大电路3.特性曲线对于N沟道增强型场效应管,也用输出特性、转移特性表示ID、UGS、UDS之间的关系,如图4－9所示。第四章场效应管放大电路图4–9N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线第四章场效应管放大电路4.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管耗尽型MOS场效应管是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道,如图4－10所示。所以当UDS＞0时,将产生较大的漏极电ID。第四章场效应管放大电路图4-10N沟道耗尽型MOS管的结构示意图第四章场效应管放大电路图4-11N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线第四章场效应管放大电路图4-12MOS场效应管电路符号第四章场效应管放大电路表4-1各种场效应管的符号和特性曲线类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUPiDOUTuGSuGSOIDSSiDUP－uDSOuGS＝0V＋1V－iD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+JFETP沟道JFETN沟道增强型NMOS耗尽型NMOS增强型PMOS耗尽型PMOS第四章场效应管放大电路4.3场效应管的主要参数4.3.1直流参数1.饱和漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数,它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零,而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。第四章场效应管放大电路2.夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数,其定义UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1μA,50μA)时所需的UGS值。第四章场效应管放大电路3.开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数,它的定义是当UDS一定时,漏极电流ID达到某一数值(例如10μA)时所需加的UGS值。第四章场效应管放大电路4.直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流,因此输入电阻很高。结型为106Ω以上,MOS管可达1010Ω以上。第四章场效应管放大电路4.3.2交流参数1.低频跨导gm此参数用于描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用。它的定义是当UDS一定时,ID与UGS的变化量之比,即常数DSUGSDmUIg跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm,见图4－13(a)。或由输出特性看,在工作点处作一条垂直于横坐标的直线(表示UDS=常数),在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量ΔUGS,然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ΔID,则gm=ΔID/ΔUGS,见图4－13(b)。(4-5)第四章场效应管放大电路)1(2PGSPDSSGSDmUUUIUIg此外,对结型场效应管,可由(4－4)式求导而得(4－6)若已知IDSS、UP之值,只需将工作点处的UGS值和IDSS、UP值代入(4－6)式,既可求得gm值。第四章场效应管放大电路图4-13根据场效应管的特性曲线求gm第四章场效应管放大电路2.极间电容场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。第四章场效应管放大电路4.3.3极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系:DSDDmUIP这部分功率将转化为热能,使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。2.漏、源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上,当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。第四章场效应管放大电路3.栅源间击穿电压BUGS结型场效应管正常工作时,栅、源之间的PN结处于反向偏置状态,若UGS过高,PN结将被击穿。对于MOS场效应管,由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层,当UGS过高时,可能将SiO2绝缘层击穿,使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿,而和电容器击穿的情况类似,属于破坏性击穿,即栅、源间发生击穿,MOS管立即被损坏。第四章场效应管放大电路4.4场效应管的特点场效应管具有放大作用,可以组成各种放大电路,它与双极性三极