场效应管(FET)的工作原理总结.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流场效应管(FET)的工作原理总结.精品文档.结型场效应管的工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(vGS0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压(vDS0)，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作漂移运动，形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。转移特性：在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系称为转移特性。 在UGS(off)uGS0的范围内, 漏极电流iD与栅极电压uGS的关系为2) 输出特性：输出特性是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系。1vGS对沟道电阻及iD的控制作用图2所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用VP表示。 上述分析表明，改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。2vDS对iD的影响设vGS值固定，且VP<vGS<0。当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |vGD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图3(a)所示。在vDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图3(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加，使vDSvGSVP,即vGDVP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图3(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本上趋于饱和，iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。从结型场效应管正常工作时的原理可知： 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高。 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。金属-氧化物-半导体场效应管结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。1vGS对iD及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD0。若在栅-源极间加上正向电压，即vGS0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGSVT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。2vDS对iD的影响如图2(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS - vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS<vGSVT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。3特性曲线和电流方程N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。从结构上看，N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似,其区别仅在于栅源极间电压vGS=0时，耗尽型MOS管中的漏源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGSVT时才出现导电沟道。原因是制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。图1(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即砷化镓金属-半导体场效应管砷化镓（GaAs）是由化学元素周期表中族元素镓和族元素砷二者组成的单晶化合物，因此，它又叫做-化合物，是一种新型半导体材料。它的特性与周期表中族元素硅类似，但重要的差别之一是，GaAs的电子迁移率比硅约大510倍。用GaAs制造有源器件时，具有比硅器件快得多的转换速度（例如在截止、饱和导通间变化）。高速砷化镓三极管正被用于微波电路、高频放大和高速数字逻辑电路中。由砷化镓制造的场效应管叫做金属-半导体场效应管（MES-FET），它具有速度高等优点，应用广泛。N沟道MESFET的物理结构和电路符号分别如图1(a)、(b)所示。图(a)表明，在GaAs衬底上面形成N沟道，然后在N沟道两端利用光刻、扩散等工艺掺杂成高浓度N+区，分别组成漏极d和源极s。当MESFET的栅区金属（例如铝）与N沟道表面接触时，将在金属-半导体接触处形成肖特基势垒区，它和硅JFET中栅极、沟道间的PN结相似。MESFET的肖特基势垒区也要求外加反偏电压，vGS愈负，肖特基势垒区愈宽，N沟道的有效截面积愈小，沟道电阻越大，因此，漏极电流iD将随vGS变化。MESFET的输出特性与硅JFET相似，属于耗尽型器件，有一夹断电压Vp。（肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体结，适合用于二极管。肖特基势垒与PN结最大的区别是其典型的低结电压，减小金属的(几乎不存在)耗尽区宽度。 但并不是所有的有整流特性的金属-半导体结都是肖特基势垒. 金属-半导体结没有整流特性的叫做欧姆接触.。整流属性取决于金属的功函、固有半导体的带隙，以及类型和半导体的掺杂浓度。）由于砷化镓的电导率很低，用作衬底时对相邻器件能起良好的隔离作用。为了减少管子的开关时间，通常MESFET的导电沟道做得短，这样，由于vDS产生的沟道长度调制效应就变得明显，即使在恒流区，iD也随vDS而变，这是与硅JFET不同之处。具体地说，MESFET遵循下列等式关系：截止区（ ）可变电阻区（vDS<vGSVP）恒流区（vDSvGSVP）其中常数l叫做沟道长度调制参数，通常在（0.05 0.2）V1范围，N沟道MESFET器件VP的典型值是（0.5 2.5）V。常数K的单位为mA/V2。使用场效应管的注意事项1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。 2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。 3当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。 4MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。 2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。3场效应管栅极几乎不取电流（ig»0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大， b 值将减小很多。6场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。4.3.4各种场效应管特性比较 各类FET的特性如下表所示。