模拟电子技术基础 1篇 2章3

1.2.5场效应三极管场效应管具有输入电阻高、热稳定性好、噪声低、工艺简单、易于集成等优点。FET（FieldEffectTransistor）●绝缘栅型IGFET（InsultedGateType）(或MOS)Metal-Oxide-Semiconductor○增强型MOS（Enhancement）○耗尽型MOS（Depletion）每一种又可分为N沟道和P沟道管子。○结型JFET（JunctionType）场效应管分类：一、绝缘栅场效应管（IGFET）增强型NMOS管在P型衬底上扩散2个N+区，P型表面加SiO2绝缘层，在N+区加铝线引出电极。s：Source源极d：Drain漏极g：Gate栅极B：Base衬底DISI增强型PMOS管PMOS与NMOS管的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。在N型衬底上扩散上2个P+区，P型表面加SiO2绝缘层，在二个P+区加铝线引出电极。DISI1.增强型NMOS管的工作原理正常工作时外加电源电压的配置②vGS＞0，vDS=0时：①vGS=0,vDS=0：漏源间是两个背靠背相串联的PN结)，所以d-s间不可能有电流流过，即iD≈0。d-s之间的Si02层下面会形成电子型的导电沟道。vGS=0,vDS=0时示意图开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。电子层(反型层)耗尽层DivGS0,vDS=0时示意图在此电压极性下，在栅极与衬底间产生一个垂直向下电场，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)。沟道形成说明如下：vGS0,vDS=0时示意图另外还将P区的少子电子吸引到SiO2层下面。同时该电场排斥空穴向衬底方向运动，使感应的电子层和衬底间形成了耗尽层。最终将两个N+间形成电子型的导电沟道。此时，若加了VDS电压，将会有iD电流流过沟道。vGS0,vDS=0时示意图Di当vGS＝0时没有导电沟道，而当vGS增强到＞VT时才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越大，感应电子层越厚，导电沟道越宽，等效沟道电阻越小，iD越大。当VGSVT，VDS0后，漏-源电压vDS产生横向电场：由于沟道电阻的存在，iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压差较高，为vGS；近d端电压差较低，为vGD＝vGS-vDS，所以沟道的形状呈楔形分布。vGS0,vDS0时示意图●当vDS较小时：vDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受vGS控制，所以vGS为定值时，沟道电阻保持不变，iD随vDS增加而线性增加。此时，栅漏间的电压大于开启电压，沟道尚未夹断。●当vDS增加到vGS-vDS＝VT时（即vDS＝vGS-VT）：栅漏电压为开启电压时，漏极端的感应层消失，沟道被夹断，称为“预夹断”。●当vDS再增加时（即vDS＞vGS-VT或vGD=vGS-vDSVT）：iD将不再增加而基本保持不变。因为vDS再增加时，近漏端上的预夹断点向s极延伸，使vDS的增加部分降落在预夹断区，以维持iD的大小。2.伏安特性与电流方程(1)增强型NMOS管的转移特性在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的关系constvGSDDSvfi|)(Di2)1(TGSDODVvIiIDO是vGS=2VT时的漏极电流。IDODi表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系(2)输出特性(漏极特性)constvDSDGSvfi|)(●可变电阻区漏极特性与三极管的输出特性相似，也可分为3个区。●截止区(夹断区)●放大区(恒流区、饱和区)此时管子导电，但沟道尚未预夹断。▲可变电阻区TDSGSGDTGSVvvvVv,在可变电阻区iD仅受vGS的控制，而且随vDS增大而线性增大。可模拟为受vGS控制的压控电阻RDS。constvDDSDSGSivR又称恒流区、饱和区。▲放大区TDSGSTGSVvvVv,此时沟道被预夹断特征是iD主要受vGS控制，与vDS几乎无关，表现为较好的恒流特性。▲夹断区又称截止区，管子没有导电沟道(vGS＜VT)时的状态。0Di耗尽型NMOS管●在制造过程中，人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大量的K+(钾)或Na+(钠)等正离子。正离子N型反型层耗尽层NMOS●vGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N+区连通，形成原始的N型导电沟道。●vDS一定，外加正栅压(vGS＞0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大；●外加负栅压(vGS＜0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小。●vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD≈0，管子截止。耗尽型NMOS的伏安特性NMOSPMOSN沟道耗尽型MOS的转移和漏极特性放大区的电流方程：2)1(PGSDSSDVvIiIDSS为饱和漏极电流，是vGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。在N区两侧扩散两个P＋区，形成两个PN结。两个P＋区相连，引出栅极g。N体的上下两端分别引出漏极d和源极s。N沟道二、结型场效应管（JFET）结构与符号P沟道●vGS＝0时，N型棒体导电沟道最宽（N型区）。有了VDS后，沟道中的电流最大。导电原理GRDRGGVDDVDIDSVGSV外加电源极性●vGS＜0、VDS=0时，耗尽层加宽（主要向沟道一测加宽），并向沟道中间延伸，沟道变窄。GRDRGGVDDVDIDSVGSV当vGS＜VP（称为夹断电压）时，两个耗尽层增大到相遇，沟道消失，这时称沟道夹断，沟道中的载流子被耗尽。若有VDS电压时，沟道电流也为零。所以属于耗尽型FET，原理和特性与耗尽型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个PN结必须反偏，如对N沟道JFET，要求vGS≤0。加上负VGS电压和VDS电压以后，VGD的负压比VGS大，所以，两个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄，使沟道形成楔形。MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD，称为表面场效应器件。JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）控制iD，称为体内场效应器件；JFET的伏安特性（以N沟道JFET为例）伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。三、场效应管的主要参数直流参数[开启电压VT]增强型管的参数。[夹断电压VP]耗尽型管的参数。[输入电阻RGS(DC)]因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于1012Ω。[饱和漏极电流IDSS]指耗尽型管在vGS=0时的漏极电流。交流参数[低频跨导(互导)gm]constDSvGSDmvig[交流输出电阻rds]constGSvDDSdsivr跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，且与工作点有关，是转移特性曲线上过Q点切线的斜率。gm的单位是mS。rds反映了漏源电压对漏极电流的影响程度，在恒流区内，是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。其值一般为若几十kΩ。极限参数[最大漏-源电压V(BR)DS]漏极附近发生雪崩击穿时的vDS。[最大栅-源电压V(BR)GS]栅极与源极间PN结的反向击穿电压。[最大耗散功率PDM]同三极管的PCM相似。当超过PDM时，管子可能烧坏。不同类型FET对电压的极性要求增强型耗尽型种类电压NMOSPMOSN结型P结型NMOSPMOSvGS正负负正负(或正)正(或负)vDS正负正负正负耗尽型跨导：2)1(PGSDSSDVvIiDSSDQPPGSQPDSSQGSDmIIVVVVIvig2)1(2|增强型跨导：2)1(TGSDODVvIiDQDOTTGSQTDOQGSDmIIVVVVIvig2)1(2|1.2.6集成电路中的电子器件集成电路是将电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等元器件以及电路中的连接线集中制作在同一块芯片上，完成各种功能的电子电路。集成电路特点：●实现材料、元器件、电路的有机结合●元件密度高、体积小、连线短、焊点少●采用隔离技术●不能制作电感、大容量电容一、复合管(达林顿管)复合管是将两只或两只以上的三极管按一定方式相连，等效为性能更好的三极管。又称达林顿管Darlington。复合管连接原则连接后各管内电流能顺利流通，且具有电流放大作用。复合管特点：●等效管类型取决于前置管类型●同样输出电流时，等效管的输入电流大大减小NPN＋PNPPNP＋PNPPNP＋NPN二、多集电极管与多发射极管多集电极管结构图电路符号等效电路多集电极管可认为是由多个PNP管的基极、射极并联而成，而且它们的集电极电流之比约等于各集电区面积之比。多集电极管构成镜像电流源若两管特性相同，则iB与iC为镜像电流关系。在数字电路中，利用多集电极管构成I2L的基本电路。IIL—IntegratedInjactionLogic多发射极管在数字电路中，多发射极管常作为门电路的输入级电路。结构图电路符号等效电路三、肖特基三极管肖特基三极管可以有效地限制管子的饱和深度，大大缩短开关时间。结构电路符号肖特基二极管（SBD）的导通电压只有0.4V，没有电荷存储效应，开关时间很短。三极管未饱和时，Jc反偏，SBD截止，对电路没影响；当三极管进入饱和时，Jc正偏，SBD导通，使集电极正向偏压被箝位在0.4V，限制管子的饱和深度，同时又使三极管基极电流减小。习题P931.2.71.2.91.2.131.2.102.1.1（V）tvisin02.0