第4_5章場(chǎng)效應(yīng)管2013

1、 4.5 場(chǎng)效應(yīng)管（單極型晶體管）場(chǎng)效應(yīng)管（單極型晶體管）4.5.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET) N溝道溝道JFET P溝道溝道JFET4.5.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) N溝道溝道(IGFET) P溝道溝道(IGFET) 4.5.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 一一. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理DSGP溝道溝道JFETN溝道溝道JFET 1. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET )的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、類型及符號(hào)類型及符號(hào)DSDDSUIRDSLRS JFET的基本控制原理的基本控制原理 改變導(dǎo)電溝道的截面積改變導(dǎo)電溝道的截面積S或溝道長度或溝

2、道長度L即可改即可改變溝道電阻，進(jìn)而可改變漏極電流。變溝道電阻，進(jìn)而可改變漏極電流。RDS截面積截面積S2. JFET的工作原理的工作原理 柵源電壓柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(令令UDS = 0) UGS0 |UGS| 增大增大導(dǎo)電溝道進(jìn)一導(dǎo)電溝道進(jìn)一步變窄。步變窄。 |UGS | |UGSoff| (稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓)溝道被完全夾斷。溝道被完全夾斷。 可見，可見，UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的截面積有很強(qiáng)的控制作用，可對(duì)導(dǎo)電溝道的截面積有很強(qiáng)的控制作用，可使其均勻地變窄變寬，當(dāng)使其均勻地變窄變寬，當(dāng)|UGS | |UGSoff|時(shí)溝道被完全夾斷。時(shí)溝道被完全夾斷。 耗

3、盡層向溝道延伸，耗盡層向溝道延伸，導(dǎo)電道均勻變窄。導(dǎo)電道均勻變窄。 漏源電壓漏源電壓UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(UGS=0) UDS0 UDS = | UGSoff | 溝道在漏端被夾溝道在漏端被夾斷斷，即預(yù)夾斷，即預(yù)夾斷。 UDS | UGSoff |溝道長度略減小，溝道長度略減小，截面積基本不變。截面積基本不變。 可見，可見，UDS在預(yù)夾斷之前對(duì)溝道有控制作用，可使溝道在預(yù)夾斷之前對(duì)溝道有控制作用，可使溝道不均勻變窄。預(yù)夾斷之后對(duì)溝道的影響很小，只是溝道的不均勻變窄。預(yù)夾斷之后對(duì)溝道的影響很小，只是溝道的長度略有改變。長度略有改變。耗盡層向溝道延伸，耗盡層向溝道延伸，溝

4、道不均勻變窄。溝道不均勻變窄。 UGS和和UDS共同作用下的共同作用下的導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道輸入輸入 信號(hào)作用下信號(hào)作用下FET的控制原理的控制原理+id()DSDGSuCif u二二. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 ()GSDDSuCif u 由于由于FET的柵極輸入端不吸收電流，所以伏安特性包括：的柵極輸入端不吸收電流，所以伏安特性包括： 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性1. 輸出特性輸出特性 溝道預(yù)夾斷之前溝道預(yù)夾斷之前溝道預(yù)夾斷之后溝道預(yù)夾斷之后預(yù)夾斷線預(yù)夾斷線1. 恒流區(qū)恒流區(qū) 條件：條件： UGS UGSoff UDS UGSUGSoff . UGS一定，一定，uDS增

5、大時(shí)，由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)，增大時(shí)，由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)，iD 僅略有增大，即僅略有增大，即iD具有恒流特性。具有恒流特性。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： . uGS對(duì)對(duì)iD有很強(qiáng)有很強(qiáng)的控制能力。定義控的控制能力。定義控制參量跨導(dǎo)為制參量跨導(dǎo)為輸出特性曲線輸出特性曲線 恒恒流流區(qū)區(qū)擊擊穿穿區(qū)區(qū)UDSUGSUGSoff可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)截截 止止 區(qū)區(qū)()()( )DSDmuCGSimAgmsuV2. 可變電阻可變電阻區(qū)區(qū) 條件條件 ： UGS UGSoff UDS UGSUGSoff 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 當(dāng)當(dāng)uDS較小時(shí)較小時(shí)(預(yù)夾斷前預(yù)夾斷前)， iD隨隨uDS近似線性變化，近似線性變化， 而變化的斜率受柵源

6、電壓而變化的斜率受柵源電壓uGS控制?？刂啤１砻鞅砻鱆FET的的D、S端呈現(xiàn)的電阻端呈現(xiàn)的電阻GSDSDSUCDuRi將受將受UGS調(diào)變，即調(diào)變，即UGS越大，越大，RDS越小。越小。 條件：條件： UGS UGSoff UDS UGSUGSoff 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 溝道被全部夾斷溝道被全部夾斷iD=0，即，即D、 S間斷間斷開。開。4. 擊穿區(qū)擊穿區(qū) uDS增大到某一值時(shí)，靠近漏極端的增大到某一值時(shí)，靠近漏極端的PN結(jié)發(fā)生雪結(jié)發(fā)生雪崩擊穿而使崩擊穿而使iD劇增。劇增。|uGS|越大，則擊穿時(shí)的越大，則擊穿時(shí)的uDS越小。越小。注意注意：擊穿區(qū)不是工作區(qū)，實(shí)際中應(yīng)避免出現(xiàn)擊穿。擊穿區(qū)不是工作區(qū)，實(shí)

7、際中應(yīng)避免出現(xiàn)擊穿。3. 截止區(qū)截止區(qū)二.轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ()DSDGSuCif u轉(zhuǎn)移特性曲線可以通過輸出特性曲線獲得，如圖所示。轉(zhuǎn)移特性曲線可以通過輸出特性曲線獲得，如圖所示。0GSGSoffuu()DSDGSuCifu式中：式中：IDSS為飽和漏電流，表示為飽和漏電流，表示uGS=0時(shí)的時(shí)的iD值；值； UGSoff為夾斷電壓。為夾斷電壓。在恒流區(qū)，由于溝道調(diào)制效應(yīng)在恒流區(qū)，由于溝道調(diào)制效應(yīng)很弱，所以對(duì)于不同的很弱，所以對(duì)于不同的uDS 其轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)移特性曲線基本重合。移特性曲線基本重合。 uGS UGS - UGSoff2(1)0GSDSSGSoffDuIUi 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線變

8、阻區(qū)變阻區(qū)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性可表示為恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性可表示為 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管由金屬絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管由金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體構(gòu)成半導(dǎo)體構(gòu)成(Metal-Oxide-Semiconductor)，故又簡稱為，故又簡稱為MOSFET。4.5.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) 1. 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、類型及符號(hào)類型及符號(hào) MOS管類管類型及符號(hào)型及符號(hào)2 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管柵源電壓柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(UDS = 0) UGS 0，產(chǎn)生向下電場(chǎng)。產(chǎn)生向下電場(chǎng)。 大到大到 UGS = UGSth (為稱

9、開啟為稱開啟電壓電壓)時(shí)，溝道形成。時(shí)，溝道形成。 UGS UGSth 溝道隨溝道隨UGS增大均勻增大均勻展寬。展寬。 可見，可見，UGS大于開啟電壓后，對(duì)溝道的控制作用與大于開啟電壓后，對(duì)溝道的控制作用與JFET相同，即可使溝道均勻地變寬變窄。相同，即可使溝道均勻地變寬變窄。 漏源電壓漏源電壓UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(UGSUGSth) UDS0，漏端，漏端UGD降降低，電場(chǎng)減弱。溝道不低，電場(chǎng)減弱。溝道不均勻變窄而傾斜。均勻變窄而傾斜。 UDS增大到增大到 UDS=UGSUGSth溝道被預(yù)夾斷。隨后溝道被預(yù)夾斷。隨后UDS增大增大溝道基本不變。溝道基本不變。 可見，可

10、見，UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用，也與對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用，也與JFET相同，相同，即可使溝道不均勻地變窄，直到預(yù)夾斷為止。即可使溝道不均勻地變窄，直到預(yù)夾斷為止。()GSDDSuCif uN溝道增強(qiáng)溝道增強(qiáng)MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線 1).1).輸出特性輸出特性 2). 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ()DSDGSuCif u 當(dāng)當(dāng)uGSUGSth時(shí)，時(shí)，iD=0； 當(dāng)當(dāng)uGS UGSth時(shí)，時(shí)， iD 隨隨uGS呈平方律關(guān)系。呈平方律關(guān)系。 MOSFET的特性，除與所用的材料和制作工藝有關(guān)外，的特性，除與所用的材料和制作工藝有關(guān)外，還與管形的版圖設(shè)計(jì)參數(shù)有密切關(guān)系。下面對(duì)某些管還與管形的版圖

11、設(shè)計(jì)參數(shù)有密切關(guān)系。下面對(duì)某些管參數(shù)作定量分析。參數(shù)作定量分析。恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性如圖所示恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性如圖所示2()(1)2noxDGSGSthDSCWiuUuL1AUENMOSFET的定量關(guān)系式的定量關(guān)系式 (1). 恒流區(qū)恒流區(qū) 其中其中:稱為溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值為圖示厄爾利電稱為溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值為圖示厄爾利電壓（壓（Early）UA的倒數(shù)，即的倒數(shù)，即 由于由于很小，約為（很小，約為（0.0050.03）V1，通常可忽略。此時(shí)，通?？珊雎浴４藭r(shí)iD0uDSUG SUAA2()2noxDGSGSthCWiuUL 式中式中: n溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率； Cox單

12、位面積柵極電容；單位面積柵極電容； W溝道寬度；溝道寬度； L溝道長度；溝道長度； W/LMOS管的寬長比。管的寬長比。在在MOS集成電路中，寬長比是一個(gè)極為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。集成電路中，寬長比是一個(gè)極為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。 (2). 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)：()noxDGSGSthDSC WiuUuL22()2noxDGSGSthDSDSCWiuUuuL1DSDSDnoxGSGSthuLRiC W uU 當(dāng)當(dāng)UDS (uGSUGSth)時(shí)時(shí)(即預(yù)夾斷前即預(yù)夾斷前)，近似有，近似有此時(shí)，此時(shí)，MOS管的管的D、S端可等效為阻值受端可等效為阻值受uGS控制的線性控制的線性電阻器，其阻值為電阻器，其阻值為

13、顯然，顯然，uGS越大，越大，RDS越小。越小。3. N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管(NDMOS) 耗盡型耗盡型MOSFET與增強(qiáng)型的不同之處，在于與增強(qiáng)型的不同之處，在于uGS =0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。 UGS = 0 UGS 0 溝道展寬溝道展寬 可見在控制溝道時(shí)，柵源電壓既可小于可見在控制溝道時(shí)，柵源電壓既可小于0，也可大于，也可大于0。漏源電壓漏源電壓UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(UGS=0) UDS0，漏端電位升，漏端電位升高，電場(chǎng)減弱。溝道不高，電場(chǎng)減弱。溝道不均勻變窄而傾斜。均勻變窄而傾斜。 UDS增大到增大到 UDS=UGSUGSoff溝道被

14、預(yù)夾斷。隨后溝道被預(yù)夾斷。隨后UDS增大增大溝道基本不變。溝道基本不變。()GSDDSuCif u N溝道耗盡溝道耗盡MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線 1).1).輸出特性輸出特性 UDS UGS - UGSoff 2). 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ()DSDGSuCif u2()2noxDGSGSoffCWiuUL222(1)2(1)noxGSDGSoffGSoffGSDGSoffCuWiULUuIU恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性可表示為恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性可表示為22noxDGSoffCWIULID04 各種類型的各種類型的FET特性對(duì)比特性對(duì)比 1.1.輸出特性輸出特性 2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)及

15、特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)及特點(diǎn)1. 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 一一. 直流參數(shù)直流參數(shù) 1). 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOSFET (1). 飽和漏電流飽和漏電流IDSS (ID0)：IDSS(ID0)指的是對(duì)應(yīng)指的是對(duì)應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。時(shí)的漏極電流。 (2). 夾斷電壓夾斷電壓UGSoff：|uGS|=UGSoff時(shí)，時(shí)，iD=0。 2). 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSFET 開啟電壓開啟電壓UGSth:當(dāng)當(dāng)uGSuGSth時(shí)，導(dǎo)電溝道才形成時(shí)，導(dǎo)電溝道才形成iD0。 3.輸入電阻輸入電阻RGS 對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS在在108 1012之間。之間。 對(duì)

16、對(duì)MOS管，管，RGS在在10101015之間。之間。 通常認(rèn)為通常認(rèn)為RGS 。二二. 交流參數(shù)交流參數(shù) 1. 跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm 跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm是在恒流區(qū)，反映柵源電壓對(duì)漏極電流是在恒流區(qū)，反映柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力的參數(shù)，定義為控制能力的參數(shù)，定義為 ()DSDmuCGSdigmsdu gm越大，表明越大，表明uGS對(duì)對(duì)iD的控制能力越強(qiáng)。的控制能力越強(qiáng)。 2(1)|GSQGSoffGSoffDSSDmQGSdiIugduuu對(duì)對(duì)JFET和耗盡型和耗盡型MOS管，由于管，由于GSoffGSDSSDUuIi)1(221|GSoffDSSDDQmQDSSGSdiIgIduuI對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)

17、Q處的處的gm為為或或 該式表明，該式表明，gm與靜態(tài)偏壓與靜態(tài)偏壓uGSQ成正比，或與靜態(tài)工成正比，或與靜態(tài)工作電流作電流IDQ的開方成正比。增大工作電流，可增大的開方成正比。增大工作電流，可增大gm 。而對(duì)增強(qiáng)型而對(duì)增強(qiáng)型MOSFET，因?yàn)椋驗(yàn)?()2noxDgsGSthCWiuUL|DSGSQDDSUdurdi2mnoxDQWgCIL顯然，增大寬長比顯然，增大寬長比W/L和工作電流，可以提高和工作電流，可以提高gm。則則2. 輸出電阻輸出電阻r ds 輸出電阻輸出電阻rds定義為定義為恒流區(qū)的恒流區(qū)的rds可以用下式計(jì)算可以用下式計(jì)算rds很大，為幾十千歐以上很大，為幾十千歐以上。AD

18、SDQUrI 三三.極限參數(shù)極限參數(shù) 場(chǎng)效應(yīng)管也有一定的運(yùn)用極限，若超過這些極限場(chǎng)效應(yīng)管也有一定的運(yùn)用極限，若超過這些極限值，管子就可能損壞。場(chǎng)效應(yīng)管的極限參數(shù)如下：值，管子就可能損壞。場(chǎng)效應(yīng)管的極限參數(shù)如下： (1). 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U(BR)GSO。 (2). 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓U(BR)DSO。 (3). 最大功耗最大功耗PDM：PDM=IDUDS一一. .方波、鋸齒波發(fā)生器方波、鋸齒波發(fā)生器 5. 場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)的應(yīng)用電路舉例場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)的應(yīng)用電路舉例 uo C1 uo1 t 0 A1 R4 R3 R2 R1 UZ R6 C2 A2 E V uo t 0 R5 uo1 D uo2 uo2 t UGS(off) 0 DZ1 DZ2 運(yùn)放運(yùn)放A1構(gòu)成弛張振蕩器構(gòu)成弛張振蕩器 A2構(gòu)成反相積分器構(gòu)成反相積分器 JFET V作為控制開關(guān)作為控制開關(guān)二二. .取樣保持電路取樣保持電路 ui , uo t 0 C V uS t 0 UGS(off) ui A1 uS uC A2 uo1 uo ui uo 三三. .相敏檢波電路相敏檢波電路 V ui R1 R1 R2 uG A2 R3 R4 C A1 uo1 uo ui R1 R1 R2 A1 uo1 ui R1