場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、1第五章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 2012年3月23日2場(chǎng)效應(yīng)管vBJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。v場(chǎng)效應(yīng)管（場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱FET）是一種電壓控制）是一種電壓控制器件器件(vGS iD) ，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。單極型器件。v場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)

2、體器件。v特點(diǎn)是耗電省、壽命長(zhǎng)，輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、特點(diǎn)是耗電省、壽命長(zhǎng)，輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單。它的應(yīng)用范圍廣，特別是在大抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡(jiǎn)單。它的應(yīng)用范圍廣，特別是在大規(guī)模規(guī)模LSI和超大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路VLSI中得到了廣泛的應(yīng)用。中得到了廣泛的應(yīng)用。v根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類：根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類：1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET) 2.金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)35-1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETv JFET利用半導(dǎo)體內(nèi)的電利用半導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工

3、作，稱為場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作，稱為體體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。v 在一塊在一塊N型半導(dǎo)體材料兩型半導(dǎo)體材料兩邊擴(kuò)散高濃度的邊擴(kuò)散高濃度的P型區(qū)，型區(qū)，形成兩個(gè)形成兩個(gè)PN結(jié)。兩邊結(jié)。兩邊P型型區(qū)引出兩個(gè)歐姆接觸電極區(qū)引出兩個(gè)歐姆接觸電極連在一起稱為連在一起稱為柵極柵極g，在，在N型本體材料的兩端各引出型本體材料的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為一個(gè)電極，分別稱為源極源極s和和漏極漏極d。v 兩個(gè)兩個(gè)PN結(jié)中間的結(jié)中間的N型區(qū)域型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道。稱為導(dǎo)電溝道。4N型溝道JFET工作原理v 代表符號(hào)如右圖，箭頭的方向表示柵代表符號(hào)如右圖，箭頭的方向表示柵結(jié)正向偏置時(shí)，柵極電流的方向是由結(jié)正向偏置時(shí)，柵極

4、電流的方向是由P指向指向N，故從符號(hào)上就可識(shí)別，故從符號(hào)上就可識(shí)別d、s之之間是間是N溝道。溝道。v N溝道溝道JFET工作時(shí)，在柵極與源極間工作時(shí)，在柵極與源極間需加負(fù)電壓需加負(fù)電壓(vGS0)，使柵極、溝道，使柵極、溝道間的間的PN結(jié)反偏，柵極電流結(jié)反偏，柵極電流iG 0，場(chǎng)效，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)高達(dá)應(yīng)管呈現(xiàn)高達(dá)107 以上的輸入電阻。以上的輸入電阻。v 在漏極與源極間加正電壓在漏極與源極間加正電壓(vDS0)，使使N溝道中的多數(shù)載流子溝道中的多數(shù)載流子(電子電子)在電在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流流iD。iD的大小受的大小受vGS控制。控制。5vGS對(duì)i

5、D的控制作用v 當(dāng)當(dāng)vGS由零向負(fù)值增大時(shí)，在反偏電壓由零向負(fù)值增大時(shí)，在反偏電壓vGS作用下，兩作用下，兩個(gè)個(gè)PN結(jié)的耗盡層將加寬，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電結(jié)的耗盡層將加寬，使導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。當(dāng)阻增大。當(dāng)vGS增大到某一定值增大到某一定值|VF |，兩側(cè)耗盡層將在，兩側(cè)耗盡層將在中間合攏，溝道全部被夾斷，此時(shí)漏源極間的電阻將中間合攏，溝道全部被夾斷，此時(shí)漏源極間的電阻將趨于無窮大，相應(yīng)的柵源電壓稱為夾斷電壓趨于無窮大，相應(yīng)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。v 改變改變vGS的大小，可以有效的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。地控制溝道電阻的大小。若在漏源極間加上固定的若在漏源極間加上固

6、定的正向電壓正向電壓vDS ，則由漏極，則由漏極流向源極的電流流向源極的電流iD將受將受vGS的控制。的控制。6vGS對(duì)iD的控制作用 當(dāng)當(dāng)vGS 0 0時(shí)，時(shí)，PNPN結(jié)結(jié)反偏，耗盡層變厚，反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻溝道變窄，溝道電阻變大，變大，iD減小；減?。籿GS更負(fù)，溝道更窄，更負(fù)，溝道更窄， iD更??；更?。恢敝翜系辣恢敝翜系辣缓谋M層全部覆蓋，溝耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，道被夾斷， iD 00。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓壓vGS稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓V VP P。7vDS對(duì)iD的影響v 當(dāng)當(dāng)vDS=0時(shí)，時(shí)，iD=0。v 隨著隨著vDS逐漸增加，一方面溝道電

7、場(chǎng)強(qiáng)度加大，有利于逐漸增加，一方面溝道電場(chǎng)強(qiáng)度加大，有利于漏極電流漏極電流iD增加；但有了增加；但有了vDS ，就在由源極經(jīng)溝道到漏，就在由源極經(jīng)溝道到漏極組成的極組成的N型半導(dǎo)體區(qū)域中，產(chǎn)生了一個(gè)沿溝道的電型半導(dǎo)體區(qū)域中，產(chǎn)生了一個(gè)沿溝道的電位梯度。溝道區(qū)的電位差則從靠源端的零電位逐漸升位梯度。溝道區(qū)的電位差則從靠源端的零電位逐漸升高到靠近漏端的高到靠近漏端的vDS 。v 在從源端到漏端的不同位置上，柵極與溝道之間的電在從源端到漏端的不同位置上，柵極與溝道之間的電位差是不相等的，離源極愈遠(yuǎn)，電位差愈大，加到該位差是不相等的，離源極愈遠(yuǎn)，電位差愈大，加到該處處PN結(jié)的反向電壓也愈大，耗盡層也愈

8、向中心擴(kuò)展，結(jié)的反向電壓也愈大，耗盡層也愈向中心擴(kuò)展，使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道比靠近源極要窄。所以增加使靠近漏極處的導(dǎo)電溝道比靠近源極要窄。所以增加vDS ，又產(chǎn)生了阻礙漏極電流，又產(chǎn)生了阻礙漏極電流iD提高的因素。提高的因素。v 在在vDS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道靠近漏端區(qū)域仍較寬，這時(shí)阻較小時(shí)，導(dǎo)電溝道靠近漏端區(qū)域仍較寬，這時(shí)阻礙的因素是次要的，故礙的因素是次要的，故iD隨隨vDS升高成正比地增大。升高成正比地增大。8vDS對(duì)iD的影響v 當(dāng)當(dāng)vDS繼續(xù)增加，繼續(xù)增加，使漏柵間的電位使漏柵間的電位差加大，靠近漏差加大，靠近漏端電位差最大，端電位差最大，耗盡層也最寬。耗盡層也最寬。v 當(dāng)兩耗盡層在當(dāng)兩

9、耗盡層在A點(diǎn)相遇時(shí)點(diǎn)相遇時(shí)，稱為稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷，A點(diǎn)耗點(diǎn)耗盡層兩邊的電位盡層兩邊的電位差用夾斷電壓差用夾斷電壓VP來描述。來描述。PDSGSGDVvvv 9 在柵源間加電壓在柵源間加電壓V VGSGSV VP P，漏源間加電壓漏源間加電壓V VDSDS。則因漏則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為端耗盡層所受的反偏電壓為V VGDGD= =V VGSGS- -V VDSDS，比源端耗盡比源端耗盡層所受的反偏電壓層所受的反偏電壓V VGSGS大大,( ,(如如: :V VGSGS=-2V, =-2V, V VDSDS =3V, =3V, V VP P=-9V,=-9V,則漏端耗盡層受反則漏端耗盡層受反

10、偏電壓為偏電壓為-5V-5V，源端耗盡層，源端耗盡層受反偏電壓為受反偏電壓為-2V),-2V),使靠近使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故道比源端窄，故V VDSDS對(duì)溝道對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。呈楔形。當(dāng)當(dāng)V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD= =V VGSGS- -V VDSDS = =V VP P 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)斷點(diǎn) 隨隨V VDSDS增大，這種增大，這種不均勻性越明顯。不均勻性越明顯。當(dāng)當(dāng)V VDSDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)源極

11、方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要V VDSDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流飽和電流。10N溝道JFET的輸出特性v 溝道在溝道在A點(diǎn)預(yù)夾斷后，隨著點(diǎn)預(yù)夾斷后，隨著vDS上升，夾斷長(zhǎng)度會(huì)略有上升，夾斷長(zhǎng)度會(huì)略有增加。但由于夾斷處場(chǎng)強(qiáng)也增大，仍能將電子拉過夾增加。但由于夾斷處場(chǎng)強(qiáng)也增大，仍能將電子拉過夾斷區(qū)形成漏極電流。斷區(qū)形成漏極電流。v 在從源極到夾斷處的溝道上，溝道內(nèi)電場(chǎng)基本上不隨在從源極到夾斷處的溝道

12、上，溝道內(nèi)電場(chǎng)基本上不隨vDS改變而變化。所以，改變而變化。所以， iD基本上不再隨基本上不再隨vDS增加而上增加而上升，漏極電流趨于飽和。升，漏極電流趨于飽和。11JFET特點(diǎn)v 綜上分析，可得下述結(jié)論：綜上分析，可得下述結(jié)論：1. JFET柵極、溝道之間的柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，電阻很結(jié)是反向偏置的，電阻很高。高。2. JFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件， iD受受 vGS 控制?？刂啤?. 預(yù)夾斷前，預(yù)夾斷前， iD與與vDS呈近似線性關(guān)系，預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系，預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。12JFET的特性曲線 1輸出特性輸出特性v JFET的輸出特

13、性是指在柵源電壓的輸出特性是指在柵源電壓vGS一定的情況下，一定的情況下，漏極電流漏極電流iD與漏源電壓與漏源電壓vDS之間的關(guān)系，即之間的關(guān)系，即 常數(shù) GSvDSDvfiN溝通溝通JFET的輸出的輸出特性。特性。 JFET的工的工作情況可分為三個(gè)作情況可分為三個(gè)區(qū)域。區(qū)域。13JFET的特性曲線v 在在I區(qū)內(nèi)，柵源電壓愈負(fù)，輸出特性愈傾斜，漏源間區(qū)內(nèi)，柵源電壓愈負(fù)，輸出特性愈傾斜，漏源間的等效電阻愈大。因此，在的等效電阻愈大。因此，在I區(qū)中，區(qū)中，F(xiàn)ET可看作一個(gè)可看作一個(gè)受柵源電壓受柵源電壓vGS控制的可變電阻，故得名為控制的可變電阻，故得名為可變電阻可變電阻區(qū)區(qū)。v II區(qū)稱為飽和區(qū)或

14、恒流區(qū)，區(qū)稱為飽和區(qū)或恒流區(qū)，F(xiàn)ET用作放大電路時(shí)，一用作放大電路時(shí)，一般就工作在這個(gè)區(qū)域，稱為般就工作在這個(gè)區(qū)域，稱為線性放大區(qū)線性放大區(qū)。v III區(qū)的特點(diǎn)是，當(dāng)區(qū)的特點(diǎn)是，當(dāng)vDS增至一定的數(shù)值，由于加到溝增至一定的數(shù)值，由于加到溝道中耗盡層的電壓太高，電場(chǎng)很強(qiáng)，致使柵漏間的道中耗盡層的電壓太高，電場(chǎng)很強(qiáng)，致使柵漏間的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，結(jié)發(fā)生雪崩擊穿， iD迅速上升，稱為迅速上升，稱為擊穿區(qū)擊穿區(qū)。進(jìn)。進(jìn)入雪崩擊穿后，管子不能正常工作，甚至很快燒毀。入雪崩擊穿后，管子不能正常工作，甚至很快燒毀。所以，所以，F(xiàn)ET不允許工作在這個(gè)區(qū)域。不允許工作在這個(gè)區(qū)域。v 當(dāng)當(dāng)vGS vP時(shí)，時(shí)，

15、iD=0稱為截止區(qū)（夾斷區(qū)）。稱為截止區(qū)（夾斷區(qū)）。14可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)特點(diǎn)特點(diǎn): :(1)(1)當(dāng)當(dāng)v vGSGS 為定值時(shí)為定值時(shí), ,iiD D 是是 v vDSDS 的線性函數(shù)，管子的漏源的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受阻值受 v vGSGS控制控制。（2 2）管壓降）管壓降v vDSDS 很小很小。用途：用途：做做壓控線性電阻壓控線性電阻和無觸和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)電子開關(guān)。條件：條件：源端與漏端溝道源端與漏端溝道都不夾斷都不夾斷 VVPGSVVVPGSDS15夾斷區(qū)夾斷區(qū) 用途：用途：做無觸點(diǎn)的、接通狀做無觸點(diǎn)的、

16、接通狀態(tài)的態(tài)的電子開關(guān)電子開關(guān)。條件：條件：整個(gè)溝道都夾斷整個(gè)溝道都夾斷 VVPGS擊穿區(qū)擊穿區(qū)VVDSBRDS)( 當(dāng)漏源電壓增大到當(dāng)漏源電壓增大到 時(shí)，漏端時(shí)，漏端PNPN結(jié)發(fā)生結(jié)發(fā)生雪崩雪崩擊穿擊穿，使，使i iD D 劇增劇增的區(qū)域。其值一般為的區(qū)域。其值一般為（20 5020 50）V V之間之間。由于由于V VGDGD= =V VGSGS- -V VDS, DS, 故故v vGSGS越負(fù)越負(fù)，對(duì)應(yīng)的，對(duì)應(yīng)的V VP P就越小。管子就越小。管子不不能在擊穿區(qū)工作能在擊穿區(qū)工作。0iD特點(diǎn)：特點(diǎn)：16JFET的特性曲線2轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性v FFT是電壓控制器件，由于柵極是電壓控制器件，

17、由于柵極輸入端基本上沒有電流，故討輸入端基本上沒有電流，故討論它的輸入特性沒有意義。論它的輸入特性沒有意義。v 所謂轉(zhuǎn)移特性是所謂轉(zhuǎn)移特性是在一定漏源電在一定漏源電壓壓vDS下，柵源電壓下，柵源電壓vGS對(duì)漏極電對(duì)漏極電流流iD的控制特性的控制特性，即，即 常數(shù) DSvGSDvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIi17輸入電壓VGS對(duì)輸出漏極電流ID的控制msgdvdivimQGSDQGSD/18結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的的特性小結(jié)特性小結(jié)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型19JFET主要參數(shù)(1)夾斷電壓夾斷電壓VP 當(dāng)當(dāng)vDS為某一固定值時(shí)，為某一固定值時(shí)，使使iD等于一個(gè)微小的電流

18、時(shí)，等于一個(gè)微小的電流時(shí)，柵源之間所加的電壓稱為夾斷電壓，柵源之間所加的電壓稱為夾斷電壓， vGS=VP。(2)飽和漏電流飽和漏電流IDSS 在在vGS=0的情況下，當(dāng)?shù)那闆r下，當(dāng)vDS |VP|時(shí)的漏極電流稱為飽和時(shí)的漏極電流稱為飽和漏電流漏電流IDSS(3)最大漏源電壓最大漏源電壓V(BR)DS V(BR)DS是指發(fā)生雪崩擊穿、是指發(fā)生雪崩擊穿、 iD開始急劇上升時(shí)的開始急劇上升時(shí)的vDS值。值。由于加到由于加到PN結(jié)上的反向偏壓與結(jié)上的反向偏壓與vGS有關(guān)，因此有關(guān)，因此vGS愈負(fù)，愈負(fù)， V(BR)DS越小。越小。(4)最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS V(BR)GS是指輸入是指

19、輸入PN結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的vGS值。值。20JFET主要參數(shù)(5)直流輸入電阻直流輸入電阻RGS 在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的直流輸入電阻直流輸入電阻。(6)低頻互導(dǎo)低頻互導(dǎo)(跨導(dǎo)跨導(dǎo))gm 在在vDS等于常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變等于常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓的微變量之比稱為互導(dǎo)，即化的柵源電壓的微變量之比稱為互導(dǎo)，即 互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，它相當(dāng)互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，它相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率，單位為于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜

20、率，單位為mS或或 S。DSvGSDmvig21JFET主要參數(shù)(7)輸出電阻輸出電阻rd 輸出電阻輸出電阻rd說明了說明了vDS對(duì)對(duì)iD的影響，是輸出特性某一點(diǎn)的影響，是輸出特性某一點(diǎn)上切線斜率的倒數(shù)。在飽和區(qū)上切線斜率的倒數(shù)。在飽和區(qū)(即線性放大區(qū)即線性放大區(qū))， iD隨隨vDS改變很小，因此，改變很小，因此，rd的數(shù)值很大，一般在幾十的數(shù)值很大，一般在幾十k 到幾百到幾百k 之間。之間。GSvDDSdivr (8)最大耗散功率最大耗散功率PDM JFET的耗散功率的耗散功率PDM=vDSiD ，耗散在管子中的功率，耗散在管子中的功率將變?yōu)闊崮?，使管子的溫度升高。將變?yōu)闊崮?，使管子的溫度?/p>

21、高。225-2 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管vJFET的直流輸入電阻雖然一般可達(dá)的直流輸入電阻雖然一般可達(dá)106-109 ，這個(gè)，這個(gè)電阻從本質(zhì)上來說是電阻從本質(zhì)上來說是PN結(jié)的反向電阻，總會(huì)有一些反結(jié)的反向電阻，總會(huì)有一些反向電流存在，限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。向電流存在，限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。vMOSFET是利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的，是利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為也稱為表面場(chǎng)效應(yīng)器件表面場(chǎng)效應(yīng)器件。由于柵極處于不導(dǎo)電。由于柵極處于不導(dǎo)電(絕緣絕緣)狀態(tài)，輸入電阻可大為提高，可達(dá)狀態(tài)，輸入電阻可大為提高，可達(dá)1015 。vMOSFET有有N溝道和溝道和P溝道兩

22、類，其中每一類又可分溝道兩類，其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。v耗盡型：當(dāng)耗盡型：當(dāng)vGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD 0，(顯然顯然JFET就屬于耗盡型就屬于耗盡型)v增強(qiáng)型：當(dāng)增強(qiáng)型：當(dāng)vGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，即時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，即iD=023N溝道增強(qiáng)型MOSFETv N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET以一塊摻以一塊摻雜濃度較低，電阻率較高的雜濃度較低，電阻率較高的P型型硅半導(dǎo)體薄片作為襯底。硅半導(dǎo)體薄片作為襯底。v 利用擴(kuò)散方法在利用擴(kuò)散方法在P型硅中形成兩型硅中形成兩個(gè)高摻雜的個(gè)高摻雜的N+區(qū)，在區(qū)，在P型硅表面型硅表面生長(zhǎng)一層二氧化硅

23、絕緣層，在二生長(zhǎng)一層二氧化硅絕緣層，在二氧化硅表面及氧化硅表面及N+型區(qū)分別安置三型區(qū)分別安置三個(gè)鋁電極：個(gè)鋁電極：柵極柵極g、源極源極s和和漏極漏極d。v 由于柵極與源極、漏極無電接觸，由于柵極與源極、漏極無電接觸，稱絕緣柵極。稱絕緣柵極。v 箭頭方向表示由箭頭方向表示由P(襯底襯底)指向指向N(溝道溝道)。對(duì)于。對(duì)于P溝道溝道MOSFET，箭頭方向與上述相反。箭頭方向與上述相反。24增強(qiáng)型MOSFET的工作原理v 當(dāng)柵源短接當(dāng)柵源短接(vGS=0)時(shí)，源區(qū)時(shí)，源區(qū)(N+型型)、襯底、襯底(P型型)和漏區(qū)和漏區(qū)(N+型型)就形成兩個(gè)背靠背的就形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，不管結(jié)，不管vDS的極性如

24、何，其的極性如何，其中總有一個(gè)中總有一個(gè)PN結(jié)是反偏的。結(jié)是反偏的。v 如果源極如果源極s與襯底相連接電源與襯底相連接電源VDD負(fù)極，漏極接電源正極，負(fù)極，漏極接電源正極，漏極和襯底間的漏極和襯底間的PN結(jié)是反偏結(jié)是反偏的，此時(shí)漏源之間的電阻很的，此時(shí)漏源之間的電阻很大，沒有形成導(dǎo)電溝道，基大，沒有形成導(dǎo)電溝道，基本上沒有電流流過，本上沒有電流流過， iD=0 。25增強(qiáng)型MOSFET的工作原理v 若在柵源之間加正向電壓，則柵若在柵源之間加正向電壓，則柵極和極和P型硅片相當(dāng)于以二氧化硅為型硅片相當(dāng)于以二氧化硅為介質(zhì)的電容器，在正的柵源電壓介質(zhì)的電容器，在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于

25、作用下，介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向半導(dǎo)體表面的由柵極指向P型襯底型襯底的電場(chǎng)的電場(chǎng)(絕緣層很薄，幾伏的柵源絕緣層很薄，幾伏的柵源電壓電壓vGS ，可產(chǎn)生高達(dá)，可產(chǎn)生高達(dá)105-106V/cm的強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)電場(chǎng))。v柵極附近的柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動(dòng)的受主離子，形成耗盡層，同時(shí)的受主離子，形成耗盡層，同時(shí)P型襯底中的少子電型襯底中的少子電子被吸引到襯底表面。子被吸引到襯底表面。v當(dāng)正的柵源電壓到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附當(dāng)正的柵源電壓到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的近的P型硅表面形成了一個(gè)型硅表面形成了一個(gè)N型薄層，稱

26、為反型層或感型薄層，稱為反型層或感生溝道生溝道。26增強(qiáng)型MOSFET的工作原理v 柵源電壓柵源電壓vGS愈正，作用于半導(dǎo)體愈正，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就愈強(qiáng)，吸引到表面的電場(chǎng)就愈強(qiáng)，吸引到P型型硅表面的電子就愈多，感生溝道硅表面的電子就愈多，感生溝道將愈厚，溝道電阻將愈小。將愈厚，溝道電阻將愈小。v 原來被原來被P型襯底隔開的兩個(gè)型襯底隔開的兩個(gè)N+型型區(qū)區(qū)(源區(qū)和漏區(qū)源區(qū)和漏區(qū)) 被感生溝道連在被感生溝道連在一起。在正的漏極電源一起。在正的漏極電源VDD作用作用下，將有漏極電流下，將有漏極電流iD產(chǎn)生。產(chǎn)生。v把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電壓叫做把在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)的柵源電壓

27、叫做開開啟電壓?jiǎn)㈦妷篤T 。v當(dāng)當(dāng)vGS VT ，外加較小的，外加較小的vDS時(shí)，漏極電流時(shí)，漏極電流iD將隨將隨vDS上上升迅速增大，但由于溝道存在電位梯度，因此溝道升迅速增大，但由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的；靠近源端厚，靠近漏端薄。厚度是不均勻的；靠近源端厚，靠近漏端薄。27增強(qiáng)型MOSFET的工作原理v 當(dāng)當(dāng)vDS增大到一定數(shù)值增大到一定數(shù)值(例如例如vGD = vGS-vDS= VT )，靠近漏端被夾，靠近漏端被夾斷，斷， vDS繼續(xù)增加，將形成一繼續(xù)增加，將形成一夾斷區(qū)。和夾斷區(qū)。和JFET相類似，溝道相類似，溝道被夾斷后，被夾斷后， vDS上升，上升， iD趨于趨于

28、飽和。飽和。28特性曲線v N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性如圖。的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性如圖。在恒流區(qū)內(nèi)，在恒流區(qū)內(nèi)，N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的的iD可近似地表可近似地表示為示為TGSTGSDDVvVvIi201ID0是是vGS =2VT時(shí)的時(shí)的iD值。值。29N溝道耗盡型MOSFETv N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型基本相同。但在制造與增強(qiáng)型基本相同。但在制造時(shí)，由于在二氧化硅絕緣層中時(shí)，由于在二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子，即使在摻有大量的正離子，即使在vGS =0時(shí)，由于正離子的作用，也時(shí)，由于正離子的作用，也能在源區(qū)和漏區(qū)的中間能

29、在源區(qū)和漏區(qū)的中間P型襯型襯底上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，形底上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，形成成N型構(gòu)道，將源區(qū)和漏區(qū)連型構(gòu)道，將源區(qū)和漏區(qū)連通起來。通起來。v在柵源電壓為零時(shí)，在正的在柵源電壓為零時(shí)，在正的vDS作用下，也有較大的作用下，也有較大的漏極電流漏極電流iD由漏極流向源極。若柵源電壓由漏極流向源極。若柵源電壓vGS為負(fù)，為負(fù)，則使溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷減少，從而使漏極電流減則使溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷減少，從而使漏極電流減小，這與小，這與JFET相類似，所以稱它為耗盡型。相類似，所以稱它為耗盡型。30兩種N溝道耗盡型FET比較v N溝道溝道JFET在負(fù)的在負(fù)的vGS 下工作下工作 ，當(dāng)，當(dāng)vGS 0時(shí)，

30、將使時(shí)，將使PN結(jié)處于正向偏置，產(chǎn)生較大的柵流，破壞了它對(duì)結(jié)處于正向偏置，產(chǎn)生較大的柵流，破壞了它對(duì)漏極電流漏極電流iD的控制作用。的控制作用。v N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET在在vGS 0時(shí)，由于絕緣層的存時(shí)，由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生在，并不會(huì)產(chǎn)生PN結(jié)的正向電流，而是在溝道中感結(jié)的正向電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷。在應(yīng)出更多的負(fù)電荷。在vDS作用下，作用下，iD將具有更大的數(shù)將具有更大的數(shù)值。值。N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET可以在正或負(fù)的柵源電壓可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流，這是耗盡型下工作，而且基本上無柵流，這是耗盡型MOSFET的的一個(gè)重要特點(diǎn)

31、。一個(gè)重要特點(diǎn)。31DGSDGSN溝道P溝道結(jié)型FET各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比32DSGBDSGBDSGBDSGBN溝道P溝道增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型MOSFET各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比33各種FET的特性比較34各種FET的特性比較35各種FET的特性比較36iDuGSUGSoff0(a)IDSSID0UGSth結(jié)型P溝耗盡型P溝增強(qiáng)型P溝MOS耗盡型N溝增強(qiáng)型N溝MOS結(jié)型N溝各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性對(duì)比37各種場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性對(duì)比uDSiD0可變電阻區(qū)012345601231233456789結(jié)型P溝耗盡型MOSP溝345601201231233456789結(jié)型N溝耗盡型 增強(qiáng)型MOSN溝U

32、GS/VUGS/V38 雙極型三極管雙極型三極管 場(chǎng)效應(yīng)三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) NPNNPN型型 結(jié)型結(jié)型 N N溝道溝道 P P溝道溝道 與與 PNPPNP型型 絕緣柵絕緣柵 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N N溝道溝道 P P溝道溝道 分類分類 CC與與E E一般不可一般不可 絕緣柵絕緣柵 耗盡型耗盡型 N N溝道溝道 P P溝道溝道 倒置使用倒置使用 D D與與S S有的型號(hào)可倒置使用有的型號(hào)可倒置使用 載流子載流子 多子擴(kuò)散少子漂移多子擴(kuò)散少子漂移 多子漂移多子漂移 輸入量輸入量 電流輸入電流輸入 電壓輸入電壓輸入 控制控制 電流控制電流源電流控制電流源 電壓控制電流源電壓控制電流源 噪聲噪聲

33、較大較大 較小較小溫度特性溫度特性 受溫度影響較大受溫度影響較大 較小，且有零溫度系數(shù)點(diǎn)較小，且有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻輸入電阻 幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上靜電影響靜電影響 不受靜電影響不受靜電影響 易受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成工藝 不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成395-3場(chǎng)效應(yīng)管放大電絡(luò)v 由由FET組成放大電路和組成放大電路和BJT一樣，要建立合適一樣，要建立合適的的Q點(diǎn)。所不同的是，點(diǎn)。所不同的是，F(xiàn)ET是電壓控制器件，是電壓控制器件，因此它需要有合適的柵因此它需要有合適的柵極電壓。極電壓。v 通常偏置的形

34、式有兩種，通常偏置的形式有兩種，以以N溝道耗盡型溝道耗盡型JFET為為例：例：(1)自偏壓電路自偏壓電路(2)分壓器式自偏壓電路分壓器式自偏壓電路40自偏壓電路v 在源極接入源極電阻在源極接入源極電阻R，組成自偏壓電路。組成自偏壓電路。v 考慮到耗盡型考慮到耗盡型FET即使在即使在vGS =0時(shí)，也有漏源電流時(shí)，也有漏源電流流過流過R，而柵極是經(jīng)電阻，而柵極是經(jīng)電阻Rg接地的，所以在靜態(tài)時(shí)接地的，所以在靜態(tài)時(shí)柵源之間將有負(fù)柵壓柵源之間將有負(fù)柵壓vGS =-IDR。v 電容電容C對(duì)對(duì)R起旁路作用，起旁路作用，稱為源極旁路電容。稱為源極旁路電容。41分壓器式自偏壓電路v 增強(qiáng)型增強(qiáng)型FET只有柵源

35、電壓先達(dá)到某個(gè)開啟電壓只有柵源電壓先達(dá)到某個(gè)開啟電壓VT時(shí)時(shí)才有漏極電流才有漏極電流ID，因此這類管子不能用于自偏壓電路。，因此這類管子不能用于自偏壓電路。v 分壓器式自偏壓電路是在分壓器式自偏壓電路是在自偏壓電路基礎(chǔ)上加接分自偏壓電路基礎(chǔ)上加接分壓電阻后組成的。壓電阻后組成的。v 漏極電源漏極電源VDD經(jīng)分壓電阻經(jīng)分壓電阻Rg1和和Rg2分壓后，通過分壓后，通過Rg3供給柵極，供給柵極，VG=Rg2VDD/(Rgl+Rg2)，同時(shí)，同時(shí), 漏極電流在源極電阻漏極電流在源極電阻R上上也產(chǎn)生壓降也產(chǎn)生壓降VS=IDR，靜態(tài)，靜態(tài)時(shí)，柵源電壓為時(shí)，柵源電壓為RiVRRRVVVDDDgggSGGS21242靜態(tài)工作點(diǎn)的確定v 對(duì)對(duì)FET放大電路的靜態(tài)分析可放大電路的靜態(tài)分析可以采用圖解法或用公式計(jì)算，以采用圖解法或用公式計(jì)算，圖解的原理