场效应晶体管及其电路.doc

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1、第四章 场效应晶体管及其电路【场效应管，7学时】1. MOS场效应管EMOS场效应管：DMOS场效应管；四种MOS场效应管比较；小信号模型分析方法2. 结型场效应管工作原理：伏安特性3. 场效应管应用原理4.1 场效应管（FET）场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。其特点是控制端基本上不需要电流，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。它在工作过程中只有一种载流子参与导电多子。（而在半导体三极管的工作过程中，管子内部的多子和少子都参与导电。因此，称场效应管为单极型晶体管，称半导体三极管为双极型晶体管）。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子

2、的P沟道器件。从场效应三极管的结构来划分，它有结型场效应三极管JFET（Junction type Field Effect Transister）和绝缘栅型场效应三极管IGFET（ Insulated Gate Field Effect Transister） 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide Semicon-ductor FET）。从工作方式又分为增强型和耗尽型，由于结构和工作原理的特点，结型场效应管只有耗尽型。一. 结型场效应管（JFET）【1学时】图4.1 结型场效应三极管的结构1. 结构、电路符号及其特点（以N沟道为例）结型场效应三极

3、管的结构如图4.1所示，它是在N型半导体的两侧扩散高浓度的P型区（用P表示），形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区用欧姆接触电极连在一起即为栅极G，N型半导体的一端引出为漏极D，另一端为源极S。箭头由P指向N。实际的JFET的结构如图4.1所示。电极D(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极； G(Gate)称为栅极，相当于基极；S(Source)称为源极，相当于发射极。2. JFET的工作原理（1）当VDS=0时，VGS由零向负值增加：PN结耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，导电能力减弱。VGS= VP，两个耗尽层相遇，导电沟道消失，此时的栅源电压称为夹断电压（为负值

4、）。（2）当VGS=0时，VDS由零向正值增加：教材P158VGD=VGS-VDS呈楔形分布。当VDS增加到使VGD=VGSVDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断；当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。（FET开始进入放大区）（3）G、S间加负电压，D、S间加正电压：G、S间的负电压使耗尽区变宽，导电沟道变窄；D、S间的正电压使耗尽区呵导电沟道进一步变淂不等宽。3. JFET的特性曲线（a） 漏极输出特性曲线 （b） 转移特性曲线图4.2 N沟道结型场效应管的特性曲线（1）输出特性分为三个区：可变电阻区：受栅源电压控制的可变电阻。栅源电压越负，输出特性曲线越倾斜，漏

5、源间的等效电阻就越大。饱和区（恒流区、线性放大区）：此时流过漏源电流为饱和电流IDSS。击穿区：漏源电压过高VBRDS，PN结发生雪崩击穿。（2）转移特性教材P161二. IGFET（MOS管）【1学时】1. 结构、电路符号及其工作原理（1）增强型（E型）NMOS管结构N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。工作原理栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0 V时，漏源

6、之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（ VGS(th) 称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P

7、型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。图4.3 转移特性曲线VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图4.3。转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下： gm=DID/DVGS (单位mS)漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的

8、影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDGVGS= VGDVGS VGD=VGSVDS 当VDS为0或较小时，相当VGDVGS(th)，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。(a) 输出特性曲线 (b)转移特性曲线图4.4 漏极输出特性曲线和转移特性曲线当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，伸

9、向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)VGS=const这一关系曲线如图4.4所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。（2）耗尽型（D型）NMOS管(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线图4.5 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图4.5(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS0时，将使ID进一

10、步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图4.5(b)所示。（3）增强型PMOS管P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。2. 转移特性与输出特性3. MOS管的微变等效电路4.2 场效应管的特性【1学时】一. 四个重要特性1. 开关特性2. 放大恒流特性3. 电容特性4. 压控电阻特性二. 主要参数4.3 MOS管基本放大电路一. 单极共源

11、放大电路【0.5学时】二. 单极共漏放大电路三. 单极共栅放大电路4.4 晶体管与场效应管的比较及*集成工艺一. 晶体管与场效应管的比较【0.5学时】1. BJT和FET的比较极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C、E一般不可倒置使用 D、S一般可倒置使用载流子 多子扩散、少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm)噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，并有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受

12、静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成2. BJT和FET的选择场效应管的S、G、D电极与晶体管的e、b、c相对应。场效应管是电压控制器件，栅极基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。场效应管是多子导电，而晶体管则是既利用多子又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因此在环境变化比较剧烈的条件下，采用场效应管比较合适。与双极型晶体管相比，场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效

13、应管，也可以选特制的低噪声晶体管。但总的来说，当信（号）噪（声）比是主要矛盾时，还应选用场效应管。场效应管的漏、源极可以互换，耗尽型绝缘栅场效应管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强。场效应管和晶体管都可以用于放大或作可控开关，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，因此在电子设备中得到广泛的应用。二. 集成工艺【0.5学时】集成电路是六十年代初期发展起来的一种半导体器件，它采用一定的生产工艺把晶体管、场效应管、二极管、电阻、电容以及它们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的、具有一定功能的器件，所以又称为固体组件。由于它的元件密度

14、高、连线短、体积小、重量轻、功耗低、外部接线及焊点少，从而提高了电子设备的可靠性和灵活性，降低了成本，而且实现了元件、电路和系统的三结合，为电子技术的应用开辟了一个新时代。1. 集成电路的制造工艺（1）工艺名词：氧化：氧化是将硅片放在高温（8001200）的氧气中使半导体表面形成一层氧化硅薄层的过程，用以防止外界杂质的沾污。光刻：光刻是利用照像制版技术，将集成电路在制造过程中所需要的图形刻在硅片上。扩散：扩散工艺就是将磷、砷、硼等元素的气体按制造N型或P型半导体的要求，引入扩散炉中，炉温控制在1000左右，经过规定的时间后形成了所要求的杂质半导体。每次扩散完毕就要进行一次氧化，把表面保护起来。

15、外延：外延生长技术用于在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，该薄层称为外延层。它的作用是保证半导体表面性能均匀。蒸铝：即在真空中将铝蒸发，沉积在硅片表面上，为以后制造连接线和引线作准备。（2）PN结隔离技术由于集成电路中所有的元件都制造在同一块硅片上，为了保证电路的性能，各元件之间必须实行绝缘隔离。目前集成工艺中最常用的是PN结隔离，其次是介质隔离。PN结隔离是利用反向偏置的PN结具有很高的电阻这一特点，把各元件所在的N区或P区四周用PN结包围起来，使各元件之间形成绝缘隔离。介质隔离是利用二氧化硅把各元件所在的区域包围起来实现隔离。（3）集成电路的封装分为双列直插式，圆壳式，标

16、贴式。2. 集成元件的结构（1）集成双极型晶体管集成NPN管、PNP管多发射极管和多集电极管：在数字电路中应用广泛。（2）集成MOS管：右图是NMOS管和PMOS管组成的互补电路（简称CMOS管）中两个管子的结构和对应的电路。这种电路具有功耗小，输入电流小，连接方便等优点，是目前最常用的集成电路之一。在以后再做具体介绍。3. 集成元件的特点采用标准工艺制造出来的集成电路中的元器件，与分立元器件相比有它的一些特点：（1）单个的精度不是很高，受温度的影响也较大，但在同一硅片上用相同的工艺制造出来的元器件性能比较一致，或者说元件的对称性较好。（2）由于电路中的元器件都集成在一片硅片上，相互间靠淂很近，温度差别不大，同一类元器件温度特性也基本上一致，所以温度对称性很好。（3）电阻的阻值范围有一定限制，一般在几十欧到几十千欧之间，太高或太低都不易制造。（4）电容一般不超过100pF，大电容不易制造，至于电感也只县极小的数值（微亨以下），一般尽量避免使用。