第3章场效应管及其基本ppt课件.ppt

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,31结型场效应管,311结型场效应管的结构及工作原理 结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)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。,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,N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型区，形成两个PN结，将两个P+区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子自由电子产生的漂移电流。我们将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。,如图32所示，如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。,当栅源负压UGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的UGS下， ID变小；反之，| UGS |变小，沟道变宽，沟道电阻变小， ID变大。当| UGS |加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时， ID将变为零。我们称此时的栅源电压UGS为“夹断电压”，记为UGSoff。可见，栅源电压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,图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(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,图32栅源电压UGS对沟道及ID的控制作用示意图(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,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,UGS（off）,312结型场效应管的特性曲线 一、转移特性曲线 转移特性曲线表达在UDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，即,(31),理论分析和实测结果表明，iD与uGS符合平方律关系，即,(32),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。 为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。,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,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,二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域： 1.恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为： (1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。,(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|UGSoff| (33) 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。,2. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，即预夹断前(如图34(a)所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大， iD增大很快。 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻 变大。如图3-3(b)所示,图34 uDS对导电沟道的影响,3. 截止区 当|UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。 4.击穿区 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。,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。,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,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,322N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET) 一、导电沟道的形成及工作原理 如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。,图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,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，uGS越大， iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。,(34),图 3-7 N 沟道增强型MOSFET的转移特性,式中：UGSth开启电压(或阈值电压)； 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。,三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、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。,图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压,图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压,(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),因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后， UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。,图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况,沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数 来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。,(36),考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为,但由于1，沟道调制效应可忽略，则,(3)可变电阻区：可变电阻区的电流方程为,(38),(37b),(37a),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,式(310)表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻,(310),(39),323 N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET) 增强型N沟道MOSFET在uGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在 uGS =0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，形成许多正电中心。这些正电中心的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。,由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS 0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大， iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失， iD =0，管子进入截止状态。 综上所述，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。,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,N沟道耗尽型MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的，不过其中的开启电压应换成夹断电压UGSoff。经简单变换，耗尽型NMOSFET的电流方程为,式中：,(311),(312),ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。,324各种类型MOS管的符号及特性对比 图311给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。图312给出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。,图311各种场效应管的符号对比,图311各种场效应管的符号对比,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,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,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指的是对应uGS=0时的漏极电流。 (2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,2.增强型MOSFET的主要参数 对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth，即当uGSuGSth时，导电沟道才形成，iD0。 3.输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。 对MOS管，RGS在10101015之间。 通常认为RGS 。,二、极限参数 场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下： (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,三、交流参数1跨导gm跨导gm的定义为,(313),gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。 gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。 对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为,(314),那么，对应工作点Q的gm为,式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。 而对增强型MOSFET，其电流方程为,那么，对应工作点Q的gm为,(315),式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。,2.输出电阻r ds 输出电阻rds定义为,(316),(317),恒流区的rds可以用下式计算：,332 场效应管的低频小信号模型 因为,所以,(318),(319),以正弦复数值表示，上式可改写为,通常rds较大， 对Id的影响可以忽略，则,画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。,图313 场效应管低频小信号简化模型,34 场效应管放大器,341场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。 我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。,图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式,一、图解法 画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，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。,图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式,对于混合偏置方式，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JFET，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。,二、解析法 已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：,(324a),(324b),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。,342场效应管放大器分析 与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。 一、共源放大器 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。 由图(b)可知，放大器输出交流电压 为,(325),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,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,式中， ，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为,(326),若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：,输入电阻：,(327),(328),图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。,图317基于Workbench平台的FET放大电路的 计算机仿真,由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为,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。,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：,式中：,故,(329),(330),(331),将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为,(332),二、共漏放大器 共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。 1. 放大倍数Au,式中：,故,图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路,图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路,所以,(333),2. 输出电阻Ro 计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路， 短路，在输出端加信号 ，求出 ，则,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,由图可见,式中：,所以，输出电阻为,故,输入电阻,(334),共栅电路与共基电路相似，留给读者自行分析。,343若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 我们知道，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。,晶体管：,场效应管：,结型场效应管：,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,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。,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),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。,