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323场效应管及其基本放大电路场效应管(FET)1场效应管的特点场效应管诞生于20世纪60年代,它主要具有以下特点: 它几乎仅靠半导体中的多数载流子导电,故又称为单级型晶体管。 场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流,并以此命名。 输入回路的内阻高达 107-1012 Q;另外还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、 耗电小,体积小、重量轻、寿命长等特点,因而广泛地应用于各种电子电路中。场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构,下面分别加以介绍。2.结型场效应管结型场效应管的符号和N沟道结型场效应管的结构结型场效应管(JFET)有N沟道和P沟道两种类型,图3-62(a)所示为它们的符号。 N沟道结型场效应管的结构如图3-62(b)所示。它在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区,并将它们连接在一起,引出电极,称为栅极G; N型半导体的两端分别引出两个 电极,一个称为漏极 D, 个称为源极 S。P区与N区交界面形成耗尽层,漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。N冏道P沟道符号(b)N沟道管的结构示意图图3-62结型场效应管的符号和结构示意图结型场效应管的工作原理为使N沟道结型场效应管正常工作, 应在其栅-源之间加负向电压(即U GS ”: 0 ),以保 证耗尽层承受反向电压;在漏 -源之间加正向电压 uDS,以形成漏极电流iD。下面通过栅-源 电压Ugs和漏-源电压Uds对导电沟道的影响,来说明管子的工作原理。 当Uds=0V (即卩D、S短路)时,Ugs对导电沟道的控制作用i当Ugs=OV时,耗尽层很窄,导电沟道很宽,如图3-63(a)所示。(c)所示),沟道电阻趋于无ii当Ugs增大时,耗尽层加宽,沟道变窄(图 (b)所示),沟道电阻增大。说当UGS增大到某一数值时,耗尽层闭合,沟道消失(图穷大,称此时Ugs的值为夹断电压U GS(off )。dN PlS Ugs= 0V(b)U GS(off) Ugs 0V (b)Ugd =U GS(off )(C)Ugd U GS(off)0.图 3-64 U gs(off) Ugs 0 的情况i若Uds=0V时,则虽有导电沟道存在,但多子不会产生定向移动,因而漏极电流为ii若UdsOV时,则有电流iD从漏极流向源极,从而使沟道中各点的电位与栅极电位不再相等,而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高,造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽,见图3-64(a)所示。说若Uds增大,则电流iD将随Uds的增大而线性增大;D-S间呈现电阻特性,但阻值 随栅-源电压UGS确定。卜若Uds的增大使Ugd等于U GS(off),则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区,(见图(b)所示),称Ugd=Ugs5)为予夹断。v若Uds继续增大,则Ugd U GS (off) (注意:Ugd和U GS(off) 均为负值,即 Ugd| A|UGS(Off),耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸,即夹断区加长,见图(C)所示。这时,一方面电流所受阻力加大,只能从夹断区的窄缝以较高速度通过,从而导致iD减小;另一方面,随着Uds的增大,使漏-源间的纵向电场增强,也必然导致iD增大。实际上,上述iD的两种变化趋势相抵消,使iD几乎不变,表现出iD的恒流特性。这时,iD仅仅决定于UGS。当UGDUGS(off)时,未出现夹断现象,对应于不同的Ugs , D-S间等效成不同阻值的电 阻。ii当Uds增大使Ugd =U GS(off)时,D-S之间予夹断。iii当Uds继续增大,夹断区加长时,漏极电流iD几乎仅仅决定于Ugs。结型场效应管的特性曲线 输出特性曲线iDf数(3-76 )输出特性曲线描述当栅-源电压为常量时,漏极电流iD与漏-源电压UDS之间的函数关系,即对应于每一个Ugs,都有一条曲线,因此输出特性为一族曲线,如图3-65所示。图3-65场效应管的输出特性场效应管有三个工作区域:i可变电阻 区(或非 饱和 区):图中的虚 线为予 夹断轨迹,它是各 条曲线上使UGD =U GS(off)的点连接而成的。予夹断轨道的左边区域称为可变电阻区,该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当UGS确定时,直线的斜率也唯一地被确定,直线斜率的倒数为D-S间等效电阻。因而在此区域中,可以通过改变Ugs的大小(即压控的方式)来改变漏 -源电阻的阻值,故称之为可变电阻区。ii横流区(或饱和区):图中予夹断轨迹的右边区域为横流区。当UGDUGs(off)时,各曲线近似为一族横轴的平行线。当uDS增大时,iD仅略有增大。因而可将iD近似为电压UGS控制的电流源,故称该区域为横流区。利用场效应管作放大管时,应使其工作在该区域。iii夹断区:当UGs 0V;而且,当管子工作在可变电阻区时,对于不同的Uds,转移特性曲线将有很大差别。3.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(IGFET)的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,由此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅-源间电阻比结型场效应管的大的多,可达101Q以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单,而广 泛用于大规模和超大规模集成电路之中。与结型场效应管相同,MOSt也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此 MOS管的四种类型为:N沟道增强型管、N沟道耗尽型管,P沟道增强型管、P 沟道耗尽型管。凡栅-源电压Ugs为零时,漏极电流也为零的管子,均属于增强型管;凡栅 - 源电压Ugs为零时,漏极电流不为零的管子,均属于耗尽型。下面讨论它们的管子原理和特 性。N沟道增强型 MOSfN沟道增强型 MOSf的结构N沟道增强型 MOSf的结构如图3-67(a)所示,(b)为N沟道和P沟道两种增强型管子的 符号。0 dQ gdo s ?1Jl0OE0 d J I OBSOOsF沟道(b)符号(a)结构示意图图3-67 N沟道增强型 MOS管结构示意图及增强型 MOS的符号它以一块低掺杂的 P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的N区,并引出两个电极,分别为源极s和漏极d,半导体之上制作一层 SiO2绝缘层,再在SiO2之上制作一层金 属铝,引出电极,作为栅极 g。通常将衬底与源极接在一起使用。栅极和衬底各相当于一个 极板,中间是绝缘层,形成电容。当栅-源电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。可见,MOST与结型场效应管的导电机理与电流控制原理均不相同。 N沟道增强型 MOS管的工作原理i当栅-源之间不加电压时(注意:衬底与源极是接在一起的),漏-源之间是两只背向的 PN结,不存在导电沟道,因此即使漏 -源之间加电压,也不会有漏极电流。ii当Uds=0且Ugs0时,因为SiO2的存在,栅极电流为零。但是栅极金属铝层将聚集正电荷,它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层,如图3-68(a)所示。iii当Ugs增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个 N型薄层,称为反型层,如图(b)所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压 UGS(th)。UGS愈大,反型层愈厚, 导电沟道电阻愈小。1b*(a)耗尽层的形成(b)导电沟道(反型层)的形成图3-68 U ds =0时U gs对导电沟道的影响dS1F 耗恳层d(a) uds U gs _ U GS(th)时(b) Uds u gs _u Gs(th)时(c) uds u g _ u Gs(th)时图3-69 u GS为大于U GS(th)的某一值时U DS对I D的影响iv当Ugs是大于U GS(th)的一个确定值时,若在漏-源之间加正向电压,则将产生一定的漏极电流。此时,Uds的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似。即当Uds较小时,随Uds的增大使Id线性增大,导电沟道沿源-漏方向逐渐变窄,如图3-69(a)所示;当Uds增大到使UGD=UGS(th)时,沟道在漏极一侧出现夹断点,称为予夹断,如图(b)所示;如果Uds继续增大,夹断区随之延长,如图(C)所示。而且,Uds的增大部分几乎全部用于克服夹断乎仅决定于uGS。在U DS UgS - U GS(th)时,对应于每一个UgS就有一个确定的i D。此时,可将i D视为电压Ugs控制的电流源。 特性曲线与电流方程(b)输
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