模拟电子技术第3章场效应管及其模拟电路

第三章 场效应管及其模拟电路,场效应管是一种利用电场效应来操作其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小、重量轻、寿命长和省电的特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为两大类。,(1),结型场效应管,(JFET),(2),氧化物,半导体场效应管,(MOSFET),利用半导体内的电场效应进行工作，也称为体内场效应器件,利用半导体外表的电场效应进行工作，也称为外表场效应器件,3.1,结型场效应管,实际,N,沟道,JFET,的结构剖面图,图,3-1(b)PJEFT,的符号,图,3-1(a)NJFET,的符号,第三章 场效应管及其模拟电路,按导电沟道来分，,JFET,又分为,N,沟道和,P,沟道两种。,JFET,的符号如图,3-1,。,箭头方向表示,PN,结正偏时的电流方向。,JFET,正常工作时，,PN,结必须反偏或者零偏。,在一块,N,型半导体材料两边扩散出高浓度的,P,型区，形成两个,PN,结,.,两边,P,+,型区引出两个电极并连在一起称为,栅极,g,，在,N,型本体材料的两端各引出一个电极,分别称为,源极,s,和,漏极,d,。两个,PN,结中间的,N,型区域称为,导电沟道,。这种结构成为,N,沟道型,JFET,。,v,GS,0,v,GS,0,v,DS,0,v,DS,0,栅极电流,I,G,很小，呈现高阻特性,3.1.1 N,沟道结型场效应管的输出特性曲线,图,3-2 NJFET,的输出特性,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,V,DSK,(a),(b),N,沟道结型场效应管的输出特性曲线就是在栅源电压,v,GS,一定时，漏极电流,i,D,随漏源电压,v,DS,的规律变化，即,i,D,=,f,(,v,DS,)|,v,GS,=,常数,。,如图,3-2(a),，令,v,GS,=0V,，,D,、,S,之间加直流电压源,V,DD,，调节,V,DD,，使,v,DS,由,0V,逐渐增大，测出相应的漏极电流,i,D,随漏,源电压,v,DS,变化的数据见表,3-1,。根据表中数据，可得到,i,D,与,v,DS,间的关系曲线如图,3-2(b),所示。,-,+,V,GG,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,图,3-2 NJFET,的输出特性,V,DSK,当,v,DS,较小时，,i,D,随,v,DS,的变化近似于直线关系，即,i,D,与,v,DS,成比例；随着,v,DS,的增大，上升率变缓，当,v,DS,=,V,DSK,（膝点值）后，再继续增大,v,DS,，则,i,D,基本保持不变；当,v,DS,增至某一值时，,i,D,急剧增大，进入击穿状态。,改变,v,GS,的值（满足,v,GS,0,），重复上述过程，可得到相应的,i,D,=,f,(,v,DS,)|,v,GS,=,常数,的曲线，如图,3-2(c),所示。,(b),(c),图,3-2(c)N,沟道,JFET,的输出特性,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,1.,夹断电压,v,GS,off,保持,v,DS,不变（如,v,DS,=10V,），将,v,GS,由,0,变为负值，并使,v,GS,的绝对值增大，则,i,D,减小，输出特性曲线下移；当,v,GS,等于某一值时，,i,D,近似等于零。我们把,i,D,等于零时的栅,源电压,v,GS,值称为,夹断电压,，记做,v,GS,off,。,有两种方法可以从输出特性曲线观察夹断电压,v,GS,off,的值。,其一，观察最接近横轴的那条曲线的,v,GS,值，则,v,GS,off,的值比它更负一些（对,NJFET,管）,；其二，可以观察,v,GS,=0V,的那条曲线膝点所对应的横坐标值,V,DSK,V,GS,off,。,V,GS,off,I,D,2.,四个区，即恒流区（放大区）、可变电阻区、截止区和击穿区,图,3-2(c),中每条曲线的第一个膝点的连线是可变电阻区与恒流区的分界线，每条曲线的第二个膝点的连线是恒流区与击穿区的分界线。,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,图,3-2(c)N,沟道,JFET,的输出特性,恒,流区,可变电阻区,截止,区,击,穿,区,I,D,3.,各个区的基本特征,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,图,3-2(c)N,沟道,JFET,的输出特性,恒流区：,v,GS,在一定范围内（,N,沟道,JFET,，,V,GS,off,v,GS,|,v,GS,off,|,，,i,D,=0,时，,D,、,S,之间相当于开路。,截止,区,击,穿,区,击穿区：说明,PN,结反向击穿，电流急剧增大，以至于毁坏,JFET,。因此，击穿区是禁用的。,I,D,3.1.2 N,沟道结型场效应管的转移特性曲线,转移特性是指,v,DS,一定时，,i,D,随,v,GS,的变化规律，即,i,D,=,f,(,v,GS,)|,v,DS,=,常数,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,3.1.2.1,如何由输出特性曲线画出转移特性曲线,选,v,DS,=,常数（如,10V,），在输出特性（图,3-3a,）的恒流区做垂直线，可得一组,v,GS,和,i,D,值，画出转移特性曲线如图,3-3(b),所示。,v,DS,取不同的值，转移特性曲线略有差异，只要,v,DS,的取值在恒流区，所得曲线族趋于重合。,图,3-3,由输出特性曲线画出转移特性曲线,图,3-2(a),-,+,V,GG,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,3.1.2.2,转移特性公式,在结型场效应管的恒流区内，漏极电流,i,D,与栅源电压,v,GS,的关系遵从二次函数规律，即,式,(3-1),称为,JFET,的转移特性公式，。式中，,I,DSS,称为栅,源短路时的漏极饱和电流，即,v,GS,=0V,的那一条输出特性曲线在恒流区所对应的,i,D,值。,v,GS,off,为夹断电压。,式,(3-1),P,沟道,JFET,的输出特性、转移特性与转移特性公式,?,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,P,沟道,JEFT,E,MOS,D,MOS,N,沟道,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,转移特性,JEFT,E,MOS,D,MOS,转移特性,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,对于,P,沟道的,JFET,，须要改变相应的电压极性（,v,DS,为负，,v,GS,为正，,v,GS,off,为正）,N,沟道,P,沟,道,v,GS,v,DS,V,GS,off,0,0,0,0,0,0,i,D,I,DSS,0,0,0,0,v,GS,0,v,DS,0,P,N,N,图,3-1(a)NJFET,的符号,图,3-1(b)PJEFT,的符号,v,GS,0,v,DS,0,N,P,P,第三章 场效应管及其模拟电路,3.1,结型场效应管,P,沟道,JFET,的转移特性公式与,N,沟道,JFET,相同。,式,(3-1),3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,1)n,沟道管，由电子导电。,2)p,沟道管，由空穴导电。,按工作方式又可以分为：,1),增强型管。栅压为零时不能导电。,2),耗尽型管。栅压为零时管子能导电。,JFET,为耗尽型场效应管。,第三章 场效应管及其模拟电路,于是出现四种,MOSFET:,增强型,N,沟道,MOS,（,E-NMOSFET,）,耗尽型,N,沟道,MOS,（,D-NMOSFET,）,增强型,P,沟道,MOS,（,E-PMOSFET,）,耗尽型,P,沟道,MOS,（,D-PMOSFET,）,在绝缘型场效应管中，应用最多的是金属,氧化物,半导体场效应管,(MOSFET),。,MOSFET,从导电沟道的类型上分为：,3.2.1 N,沟道增强型,MOSFET,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2.1.1,结构与电路符号,栅极被一层很薄的,SiO,2,绝缘，使栅极,G,与衬底（,P,型区）之间没有电流；从,D,到,S,或从,S,到,D,有两个方向相反的,PN,结，使得,D,到,S,或,S,到,D,不导通，没有初始导电沟道；,衬底,B,可以内部与源级,S,相连，外引三个电极，也可以将,B,作为第,4,个电极引出来。,电路符号中的沟道断开，以表示没有初始导电沟道，属于增强型。箭头方向，表示,PN,结正偏时电流从,B,流入，说明衬底相连的是,P,区，说明是,N,沟道,MOSFET,。,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,图,3-4 N,沟道,MOSFET,的结构与电路符号,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2.1.2,工作原理,G,与,S,之间加电压,v,GS,，二氧化硅中将产生一个由,G,指向,B,的电场。当,v,GS,增大到某一值（开启电压,v,GS,th,）时，电场将,P,区中的电子吸引到靠近,SiO,2,的外表附近，使之成为以电子导电为主的感生,N,型层，将两个,N,区连通，形成,N,型导电沟道。因为沟道是静电场感应而生成，也称,感生沟道（反型层）,。此时，假设,D,、,S,之间加电压，将会产生漏极电流,i,D,（源极电流,i,S,=,i,D,）。,v,GS,越大，,N,沟道越宽，漏极电流就越大。,v,GS,对,i,D,实现了压控作用。,i,D,（或,i,S,）成为压控电流源。,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,图,3-5,增强型,NMOS,的工作原理,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2.2 E-NMOSFET,的特性曲线,3.2.2.1 E-NMOSFET,的输出特性曲线,E-NMOSFET,的输出特性曲线与,NJFET,输出特性曲线的主要,区别,在于：,E-NMOSFET,的操作电压,v,GS,为正，而,NJFET,的操作电压,v,GS,为负；,对,E-NMOSFET,而言，当,v,GS,V,GS,th,（开启电压），产生感生沟道后才能对,i,D,有操作作用，,v,GS,的下限值为开启电压,V,GS,th,，无上限的严格限制，没有漏极饱和电流,I,DSS,，对,NJFET,而言，,v,GS,的上限值为,0,，下限值为夹断电压,V,GS,off,，有漏极饱和电流,I,DSS,。与,NJFET,相似或相同,的是分为四个区，即恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,图,3-6(a),E-NMOSFET,的输出特性曲线,N-JFET,的输出特性曲线,图,3-6(b)E-NMOSFET,的转移特性曲线,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2.2.2 E-NMOSFET,的转移特性曲线,(1),由输出特性画出转移特性的方法与,NJFET,相似。,E-NMOSFET,的转移特性,如图,3-6(b),所示。,(2),转移特性公式 当,v,GS,v,GS,th,时，,i,D,与,v,GS,的关系也是二次函数，即,式中，,K,为沟道系数，单位为,mA/V,2,或,A/V,2,。,K,的大小由沟道的长、宽和单位面积的栅电容等因素决定。由图,3-6(b),可以看出，当,v,GS,=2,v,GS,th,对应的电流值为,I,D2,时，则,K,=,I,D2,/,V,2,GS,th,。,式,(3-2),I,D2,V,GS,th,2,V,GS,th,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,第三章 场效应管及其模拟电路,3.2.3 N,沟道耗尽型,MOSFET,耗尽型与增强型的根本区别在于有无初始的导电沟道。耗尽型有初始导电沟道，即,v,GS,=0V,时，已有初始导电沟道的存在；增强型没有初始导电沟道。因此耗尽型有夹断电压,V,GS,off,和栅源短路时的漏极饱和电流,I,DSS,。增强型则有开启电压,V,GS,th,。,结型场效应管属于耗尽型场效应管。,3.2,金属,氧化物,半导体场效应管,3.2.3.1 D-NMOSFET,的输出特性曲线,因为,D-NMOSFET,的,v,GS,=0,时，有初始沟道，所以,v,GS,