场效应管及其基本电路.ppt

第3章场效应管及其基本电路 3 1结型场效应管3 2绝缘栅场效应管 IGFET 3 3场效应管的参数和小信号模型3 4场效应管放大器 3 1结型场效应管 3 1 1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3 1给出了JFET的结构示意图及其表示符号 图3 1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3 2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IG 0 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3 2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3 2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3 2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 3 1 2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 3 1 理论分析和实测结果表明 iD与uGS符合平方律关系 即 3 2 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3 3 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3 3JFET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3 3JFET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3 3 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UGSoff UGS 0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 3 3 时 沟道在漏极附近被局部夹断 称为预夹断 如图3 4 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3 4 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3 4uDS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 3 2绝缘栅场效应管 IGFET 3 2 1绝缘栅场效应管的结构如图3 5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3 5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3 5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 3 2 2N沟道增强型MOSFET EnhancementNMOSFET 一 导电沟道的形成及工作原理如图3 6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3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 图3 6N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3 7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 3 4 所示 3 4 图3 7N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3 5 a W L MOS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3 8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 UGS UGSth 导电沟道未形成 iD 0 图3 8输出特性 a 输出特性 b 厄尔利电压 图3 8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 3 5 因为UGD UGS UDS 当UDS增大 使UGD UGSth时 靠近漏极的沟道被首先夹断 如图 3 9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3 9uDS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 3 6 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 3 8 3 7b 3 7a 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 3 10 表明 uGS越大 rDS越小 体现了可变电阻 3 10 3 9 3 2 3N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uDS 0 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3 10 a b c 所示 图3 10N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3 10N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3 10N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 3 11 3 12 ID0表示uGS 0时所对应的漏极电流 3 2 4各种类型MOS管的符号及特性对比图3 11给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号 图3 12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3 11各种场效应管的符号对比 图3 11各种场效应管的符号对比 图3 12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3 12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 3 3场效应管的参数和小信号模型 3 3 1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uGS uGSth时 导电沟道才形成 iD 0 3 输入电阻RGS对结型场效应管 RGS在108 1012 之间 对MOS管 RGS在1010 1015 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 ID UDS 三 交流参数1 跨导gm跨导gm的定义为 3 13 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 3 14 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 3 15 式 3 15 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rds输出电阻rds定义为 3 16 3 17 恒流区的rds可以用下式计算 3 3 2场效应管的低频小信号模型因为 所以 3 18 3 19 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 3 20 和式 3 21 所对应的等效电路分别如图3 13 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3 13场效应管低频小信号简化模型 3 4场效应管放大器 3 4 1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 iD 0 故可采用自偏压方式 如图3 14 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3 14 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3 14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3 15所示 对于自偏压方式 栅源回路直流负载线方程为 3 22 在转移特性坐标上画出该负载线方程如图3 15 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3 15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 3 23 画出该负载线如图3 15 b 所示 对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q 1 Q 2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 3 15 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 3 24a 3 24b 将式 3 24b 代入式 3 24a 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 3 4 2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3 16 a 所示 其低频小信号等效电路如图3 16 b 所示 由图 b 可知 放大器输出交流电压为 3 25 图3 16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3 16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RD RL rds 所以 共源放大器的放大倍数Au为 3 26 若gm 5mA V 元件值如图3 16 a 所示 则Au 50 输出电阻 输入电阻 3 27 3 28 图3 17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3 17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3 18 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3 18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3 18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3 18 b 所示 2 输出电压 式中 故 3 29 3 30 3 31 将式 3 31 代入式 3 29 得放大倍数Au为 3 32 二 共漏放大器共漏放大器的电路如图3 19 a 所示 相应的等效电路如图3 19 b 所示 该电路的主要参数如下 1 放大倍数Au 式中 故 图3 19共漏电路及其等效电路 a 电路 b 等效电路 图3 19共漏电路及其等效电路 a 电路 b 等效电路 所以 3 33 2 输出电阻Ro计算输出电阻Ro的等效电路如图3 20所示 首先将RL开路 短路 在输出端加信号 求出 则 图3 20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 图3 20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 3 34 共栅电路与共基电路相似 留给读者自行分析 3 4 3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3 21所示 在这一点工作 温度稳定性会更好 图3 21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 3 40 通常用跨导比 来表示gmb的大小 3 41 式中 为常数 一般为0 1 0 2 考虑背栅跨导影响的等效电路如图3 22所示 图3 22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