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1、1,第3章 场效应管及其基本电路,31 结型场效应管 32 绝缘栅场效应管(IGFET)33 场效应管的参数和小信号模型34 场效应管放大器,2,31结型场效应管(JFET),311结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。图31给出了JFET的结构示意图及其表示符号。,3,图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET,4,N沟道JFET：N型半导体棒两侧掺杂成两个P
2、+型区，形成两个PN结。两个P+区接成栅极（Gate），N区的一端称为源极（Source）(发送电子)，另一端称为漏极（Drain）（接收电子），源极和漏极可以互换。如图3-2所示。D-S间加正向电压UDS，G-S间加反向电压UGS。在UDS作用下，电子从SD，形成ID；而UGS0PN结反偏IG0，所以ISID。,当UGSPN结变厚导电沟道变窄沟道电导率 电阻在UDS一定时，ID。当UGS到一定值时，沟道全部消失，ID=0，此时的UGS称为夹断电压，记为UGsoff。,5,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。,图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意
3、图(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=0,6,312结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线 定义：在UDS一定时，uGS对iD的控制作用，即,理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即,(32),(31),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33(a)所示。,7,在N沟道JFET中，PN结必须反偏，即uGS0。,图33JFET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,8,二、输出
4、特性曲线定义：在UGS一定时，iD与uDS的关系，即,输出特性曲线分为四个区域：,1.可变电阻区,当uDS很小时，uDSiD(近似线性增大)当uDS较大时，靠近D极的导电沟道逐渐变窄，沟道电阻，两个PN结的耗尽区向外扩展到开始相遇，如图3-4所示，这种状态称为“预夹断”。ID随uDS而增大的速率减慢。出现预夹断的条件为：,9,uGS对iD上升的斜率影响较大，在这一区域内，JFET可看作一个受uGS控制的可变电阻，即漏、源电阻rDS=f(uGS)，故称为可变电阻区。,2.恒流区（放大区、饱和区）此时JFET工作于放大状态。其主要特征：,当UGSoff UGS0时，iD与uGS关系符合式（3-2）
5、，uGS对iD控制能力很强。当UGS一定时，uDSiD,但变化很小。说明uDS对iD的控制能力很弱。此时，uDS主要降在局部夹断区。,10,3.截止区,时，沟道被全部夹断，iD=0，场效应管截止。,4.击穿区,uDSuDG，当uDG达到U(BR)DSO时，靠近D区的PN结被击穿，iD迅速上升。uGS越负，达到击穿所需的UDS越小。,图34 uDS对导电沟道的影响,11,32 绝缘栅场效应管(IGFET),321 绝缘栅场效应管的结构 如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。,绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件。IGFET也有N
6、沟道和P沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。,12,图35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,13,322N沟道增强型（E-NMOSFET）MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理 如图36所示，若将S与B相连并接地，在G-S之间加正压UGS，在D-S之间施加正压UDS，分析uGS变化时管子的工作情况。,当uGS=0时，P型衬底将两个N+区隔开，形成两个背靠背的PN结，电流ID为零，相当于关断状态。,当uGS0，但较小时，在绝缘层中，产生由G指向衬底的电场，排斥P型衬底的多子空穴，吸引少子电子。当uGS
7、大于某一门限值（称为开启电压UGSth）时，这些电子在P型硅表面形成一个N型薄层，称为“反型层”。,14,图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,这个反型层将S区和D区连在一起，形成了沿表面的导电沟道。此时，当在D-S间加正向电压UDS时，在D-S间形成电流iD，而G与沟道间有绝缘层，所以iG=0。,*uGS越大沟道越宽沟道电阻越小iD越大,15,二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD 0，uGSiD,二者符合平方律关系，即：,(34),图3-7 ENMOSFET的转移特性,16,式中：UGSth开启电压(或阈值电
8、压)；n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35(a)；W/LMOS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。,17,三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。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：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。,(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,(35),18,图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压,19,图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压,20,沟
9、道调制系数：厄尔利电压UA（如图3-8(b)所示）的倒数，即,反映uDS对沟道及iD的影响。曲线越平坦 越大越小。,考虑uDS对iD的微弱影响后恒流区的电流方程为：,但1，则,21,图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况,22,(3)可变电阻区：可变电阻区的电流方程为,(38),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,表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻,23,323 N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)耗尽型在 uGS=0时就存在导电沟道（称原始导电沟道）。只要uDS0就有iD电流，且uGSiD；当u
10、GS0时，iD；当uGS=UGSoff时，iD=0，管子进入截止状态。,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310(a),(b),(c)所示。,24,图3-10 D-NMOSFET的特性及符号(a)转移特性(b)输出特性(c)符号,25,耗尽型NMOSFET的电流方程为,式中：,(311),ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。,(312),26,图3-11 各种场效应管的符号对比,324各种类型MOS管的符号及特性对比 图311为各种N沟道和P沟道场效应管的符号。图312为各种场效应管的转移特性和输出特性。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压UGS不同。,2
11、7,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性,28,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；(b)输出特性,29,33 场效应管的参数和小信号模型,331场效应管的主要参数 一、直流参数 1.结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：IDSS指对应uGS=0时的ID。(2)夹断电压UGSoff：使得iD=0时的uGS值。,2.增强型MOSFET的主要参数 开启电压UGSth：当uGSuGSth时，导电沟道才形成，iD0。,30,3.输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，
12、RGS在10101015之间。通常认为RGS。,二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO(2)漏源击穿电压U(BR)DSO(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,31,三、交流参数1跨导gm定义：,(313),大小反映uGS对iD的控制能力的强弱。相当于转移特性曲线上工作点的斜率。gm求法 1）对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为：,32,2）对增强型MOSFET，其电流方程为：,式中，IDQ为直流工作点电流。可见IDQgm,表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。,33,2.输出电阻r ds,(317),在恒流区：,(316),式中UA为厄尔利电压，IDQ为直流工作点电
13、流。UA很大rds也很大。,34,332 场效应管的低频小信号模型,以正弦复数值表示为,此式模型如图3-13(a)所示,通常rds较大，则,此式的模型如图3-13(b)所示。,35,图313 场效应管低频小信号简化模型,36,34 场效应管放大器,341场效应管偏置电路静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。由于JFET与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故图314(a)所示采用自偏压方式。对于增强型MOSFET，一定要采用图314(b)所示分压式偏置或混合偏置方式。确定直流工作点方法：图解法、是解析法。,37,图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式,38,一、图
14、解法 N沟道场效应管的转移特性如图315所示。1）自偏压方式：栅源回路直流负载线方程为：,(322),在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。,39,图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式,JFET转移特性曲线,NDMOSFET转移特性曲线,NEMOSFET转移特性曲线,40,2）混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为：,(323),画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特别注意的是，对J
15、FET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。,41,二、解析法 已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：,将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。,场效应管放大器的工作点应设在恒流区。,42,342场效应管放大器分析 场效应管放大器有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大器 电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。,Au：,43,图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路,44,图31
16、6共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路,45,Ro：,Ri：,(327),(328),例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：,而,46,47,二、共漏放大器 电路及等效电路如图319所示。,而,所以,Au：,48,图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路,49,Ro：等效电路如图320所示。,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,50,三、共栅放大器自行分析。,Ri：,51,343若干问题的讨
17、论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。,52,晶体管：,场效应管：,结型场效应管：,53,二、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好。,图321 场效应管的零温度系数点,54,三、关于体效应和背栅跨导 前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正
18、常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。,55,在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：,(340),通常用跨导比来表示gmb的大小：,(341),56,式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。,图322 计入背栅跨导的FET等效电路,场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。,57,
