PPT《第四章》

第四章 场效应管放大电路 * 2019年4月8日 场效应管 BJT是一种电流控制元件(iB~ iC),工作时,多数载流子和少数载流子都参与运行,所以被称为双极型器件.

场效应管(Field Effect Transistor简称FET)是一种电压控制器件(vGS~ iD) ,工作时,只有一种载流子参与导电,因此它是单极型器件.场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件.特点是耗电省、寿命长,输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单.它的应用范围广,特别是在大规模LSI和超大规模集成电路VLSI中得到了广泛的应用.根据结构的不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET) 金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET) * §4-1结型场效应管JFET JFET利用半导体内的电场效应进行工作,称为体内场效应器件.在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区,形成两个PN结.两边P型区引出两个欧姆接触电极连在一起称为栅极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. * N型沟道JFET工作原理 代表符号如右图,箭头的方向表示栅结正向偏置时,栅极电流的方向是由P指向N,故从符号上就可识别d、s之间是N沟道.N沟道JFET工作时,在栅极与源极间需加负电压(vGS0),使N沟道中的多数载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动,形成电流iD.iD的大小受vGS控制. * vGS对iD的控制作用 当vGS由零向负值增大时,在反偏电压vGS作用下,两个PN结的耗尽层将加宽,使导电沟道变窄,沟道电阻增大.当vGS增大到某一定值|VF |,两侧耗尽层将在中间合拢,沟道全部被夹断,此时漏源极间的电阻将趋于无穷大,相应的栅源电压称为夹断电压VP. * 改变vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小.若在漏源极间加上固定的正向电压vDS ,则由漏极流向源极的电流iD将受vGS的控制. vGS对iD的控制作用 * 当vGS VP,漏源间加电压VDS.则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS,比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V,源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚,沟道比源端窄,故VDS对沟道的影响是不均匀的,使沟道呈楔形. 当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时,在紧靠漏极处出现预夹断点 随VDS增大,这种不均匀性越明显. 当VDS继续增加时,预夹断点向源极方向伸长为预夹断区.由于预夹断区电阻很大,使主要VDS降落在该区,由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极,形成漏极饱和电流. N沟道JFET的输出特性 沟道在A点预夹断后,随着vDS上升,夹断长度会略有增加.但由于夹断处场强也增大,仍能将电子拉过夹断区形成漏极电流.在从源极到夹断处的沟道上,沟道内电场基本上不随vDS改变而变化.所以, iD基本上不再随vDS增加而上升,漏极电流趋于饱和. * JFET特点 综上分析,可得下述结论:JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的,电阻很高.JFET是电压控制电流器件, iD受vGS 控制.预夹断前, iD与vDS呈近似线性关系,预夹断后, iD趋于饱和. * JFET的特性曲线 1.输出特性JFET的输出特性是指在栅源电压vGS一定的情况下,漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系,即*N沟通JFET的输出特性. JFET的工作情况可分为三个区域. JFET的特性曲线 在I区内,栅源电压愈负,输出特性愈倾斜,漏源间的等效电阻愈大.因此,在I区中,FET可看作一个受栅源电压vGS控制的可变电阻,故得名为可变电阻区.II区称为饱和区或恒流区,FET用作放大电路时,一般就工作在这个区域,称为线性放大区.III区的特点是,当vDS增至一定的数值,由于加到沟道中耗尽层的电压太高,电场很强,致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿, iD迅速上升,称为击穿区.进入雪崩击穿后,管子不能正常工作,甚至很快烧毁.所以,FET不允许工作在这个区域.当vGS |VP|时的漏极电流称为饱和漏电流IDSS(3)最大漏源电压V(BR)DS V(BR)DS是指发生雪崩击穿、 iD开始急剧上升时的vDS值.由于加到PN结上的反向偏压与vGS有关,因此vGS愈负, V(BR)DS越小.(4)最大栅源电压V(BR)GS V(BR)GS是指输入PN结反向电流开始急剧增加时的vGS值. * JFET主要参数 (5)直流输入电阻RGS 在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定电压时的直流输入电阻.(6)低频互导(跨导)gm 在vDS等于常数时,漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为互导,即 互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,它相当于转移特性上工作点的斜率,单位为mS或?S. * JFET主要参数 (7)输出电阻rd 输出电阻rd说明了vDS对iD的影响,是输出特性某一点上切线斜率的倒数.在饱和区(即线性放大区), iD随vDS改变很小,因此,rd的数值很大,一般在几十k?到几百k?之间. * (8)最大耗散功率PDM JFET的耗散功率PDM=vDSiD ,耗散在管子中的功率将变为热能,使管子的温度升高. §4-2 金属-氧化物-半导体场效应管 JFET的直流输入电阻虽然一般可达106-109 ? ,这个电阻从本质上来说是PN结的反向电阻,总会有一些反向电流存在,限制了输入电阻的进一步提高.MOSFET是利用半导体表面的电场效应进行工作的,也称为表面场效应器件.由于栅极处于不导电(绝缘)状态,输入电阻可大为提高,可达1015 ? .MOSFET有N沟道和P沟道两类,其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种.耗尽型:当vGS=0时,存在导电沟道,iD?0,(显然JFET就属于耗尽型)增强型:当vGS=0时,没有导电沟道,即iD=0 * N沟道增强型MOSFET N沟道增强型MOSFET以一块掺杂浓度较低,电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底.利用扩散方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区,在P型硅表面生长一层二氧化硅绝缘层,在二氧化硅表面及N+型区分别安置三个铝电极:栅极g、源极s和漏极d.由于栅极与源极、漏极无电接触,称绝缘栅极.箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道).对于P沟道MOSFET,箭头方向与上述相反. * 增强型MOSFET的工作原理 当栅源短接(vGS=0)时,源区(N+型)、衬底(P型)和漏区(N+型)就形成两个背靠背的PN结,不管vDS的极性如何,其中总有一个PN结是反偏的.如果源极s与衬底相连接电源VDD负极,漏极接电源正极,漏极和衬底间的PN结是反偏的,此时漏源之间的电阻很大,没有形成导电沟道,基本上没有电流流过, iD=0 . * 增强型MOSFET的工作原理 若在栅源之间加正向电压,则栅极和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的电容器,在正的栅源电压作用下,介质中产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场(绝缘层很薄,几伏的栅源电压vGS ,可产生高达105-106V/cm的强电场). * 栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,留下不能移动的受主离子,形成耗尽层,同时P型衬底中的少子电子被吸引到衬底表面.当正的栅源电压到达一定数值时,这些电子在栅极附近的P型硅表面形成了一个N型薄层,称为反型层或感生沟道. 增强型MOSFET的工作原理 栅源电压vGS愈正,作用于半导体表面的电场就愈强,吸引到P型硅表面的电子就愈多,感生沟道将愈厚,沟道电阻将愈小.原来被P型衬底隔开的两个N+型区(源区和漏区) 被感生沟道连在一起.在正的漏极电源VDD作用下,将有漏极电流iD产生. * 把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压VT .当vGS ? VT ,外加较小的vDS时,漏极电流iD将随vDS上升迅速增大,但由于沟道存在电位梯度,因此沟道厚度是不均匀的;