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场效应管
1.4场效应三极管(JFET
)
场效应三极管参与导电的有一种极性的载流子:
多子,因此叫单极型三极管,又因这种管子是利用电场效应来控制电流的,所以又称为场效应三极管,它是一种电压控制器件,通过栅源电压
来控制漏极电流
,在放大区,
的值主要取决于
,而基本上与uDS无关,常常通过跨导
来描述双极型三极管的放大作用;因场效应管只有多子参与导电,且多子的浓度不易受温度光照等环境影响,所以与双极型三极管相比,噪声小,不易受外界温度和辐射影响;场效应管因D极与S极PN结反偏,输入电阻很高,栅极几乎不摄取电流,因此输入电阻很大,结型场效应管一般在107Ω以上,MOS场效应管则高达1010Ω。
双极型三极管参与导电的有两种极性的载流子:
多子和少子。
场效应管根据结构和工作原理不同可分为两大类,一类是结型场效应管,另一类是绝缘栅型场效应管。
它们都只有一种载流子(多子)参与导电,所以场效应管被称为单极型器件。
结型场效应管
1.4.1结型场效应管的结构
结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET,有N沟道JFET和P沟道JFET之分。
图给出了JFET的结构示意图及其表示符号。
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(P)沟道JFET,是在一根N(P)型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型(N+)区,则在P+(N+)区和N(P)区的交界处形成两个PN结,将两个P+(N+)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(P)型半导体构成导电沟道,一端引出源极,另一端引出漏极(源极和漏极可以互换
)。
在源极和漏极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。
将电子发源端称为源极(Source),接收端称为漏极(Drain)。
根据导电沟道的不同,分为N沟道结型场效应管(其导电沟道是N型)和P沟道结型场效应管(其导电沟道是P型)
1.4.2结型场效应管的原理(N沟道结型场效应管的UGS与P沟道结型场效应管的UGS方向相反)
1、UGS对ID的控制作用
在G极和S极之间加上反向电压UGS,使G极和导电沟道之间的两个PN结反向偏置,就可以通过改变UGS大小来改变耗尽层的宽度。
当反向电压|UGS|变大时,耗尽层将变宽,于是导电沟道相应变小,使沟道本身电阻增大,于是,漏极电流ID减小。
由于导电沟道的半导体材料参杂浓度相对较低,而G极一边的参杂浓度相对较高,因此当反向偏压值生高时,耗尽层总的宽度将随之增大。
但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等,而是导电沟道一侧正离子数目与G极一侧负离子数目相等。
因此,掺杂程度低的导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的G极一侧耗尽层的宽度大得多。
可以认为,当反向偏压增大时,耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。
(1)设UDS=0,即将D极和S极短接,同时在G极和S极之间加上负电源UGS,然后改变UGS的大小,观察耗尽层的变化情况。
(以N沟道为例,P沟道的UGS与N沟道的相反)
当UGS=0时,耗尽层比较窄,导电沟道比较宽。
当|UGS|由0逐渐增大时,耗尽层逐渐加宽,导电沟道相应变窄。
当UGS=UP时,两侧的耗尽层合拢在一起,导电沟道被夹断,所以,将UP称为夹断电压。
N(P)沟道结型场效应管的UP是一个负(正)值。
如图。
由于UDS=0,即D极和S极之间没有外加电压,所以虽然UGS变化导致导电沟道的随之变化,但漏极电流ID始终为0。
1.4.3三极管的电流分配关系
栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图
(a)UGS=0,沟道最宽,
(b)UGS负压增大,沟道变窄,
(c)UGS负压进一步增大,沟道夹断。
(2)设UDS=UDD>0,即将D极和S极外加一个正电压,然后仍在G极和S极之间加上负电源UGS,改变UGS的大小,观察耗尽层和ID的变化情况。
(以N沟道为例,P沟道的UGS与N沟道的相反)
当UGS=0时,耗尽层比较窄,导电沟道比较宽,因此沟道的电阻较小,加上正向电压UDS时,漏极和和源极之间将有一个较大的电流ID。
但沿着导电沟道各处耗尽层的宽度并不相等,靠近漏极耗尽层处最宽,而靠近源极处最窄。
这是由于当ID流过沟道时,沿着沟道的方向产生一个电压降落,因此沟道上各点的电位不同,因而各点与栅极之间的电位差也不相等。
沟道上靠近漏极的地方电位最高,UGD=-UDD,则PN结上的反向偏压也最大,因而耗尽层最宽,而沟道靠近源极处电位最低,PN结上的反向偏压也最小,因而耗尽层宽度也最窄。
(a)UGS=0,UDG<|UP|,ID较大
(b)UGS<0,UDG<|UP|,ID较小
(c)UGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断
(d)UGS≤UP,UDG>|UP|,ID≈0,夹断
当使UGS<0,耗尽层宽度增大,导电沟道相应变窄,沟道电阻增大,因而漏极电流ID将减小。
将|UGS|的值增大,则耗尽层继续展宽,导电沟道相应变窄,因而ID将随之继续减小,当|UGS|的值增大到UGD=UP时(UDG+UGS=UDS),栅极和漏极之间的耗尽层开始碰在一起,这种情况称为预夹断。
2、UDS对ID的影响
当UGS值固定,且|UGS|<|UP|时,在漏源电压UDS作用下,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差不再相等,漏极端最高,源极端最低,其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小。
在UDS较小时,它对ID的影响从两个角度来分析:
一方面UDS增加时,沟道的电场强度增大,ID随着增加;另一方面,随着UDS的增加,沟道的不均匀性增大,即沟道电阻增加,ID应该下降,但由于UDS较小时,沟道的不均匀性不明显,在漏极端的沟道仍然放宽,即UDS对沟道电阻影响不大,故ID随UDS的增加而增加。
随着UDS的增加,靠近漏极一端的PN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UD上升的速度趋缓。
当UDS增加到UDS=UGS-UP,即UGD=UGS-UDS=UP时,漏极附近的耗尽层即在漏极处合拢,这种状态称为预夹断,预夹断后,漏极电流ID≠0,因为此时沟道依然存在,沟道内的电场仍能够使多数载流子作漂移运动,并被电场拉向漏极。
若UDS继续增加,使UDS>UGS-UP,即UGD 因为这时夹断区电阻很大,UDS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UDS增加到大于某一极限值U(BR)DS后,漏极一端PN结发生雪崩击穿,ID会急剧增加。 正常工作时,UDS不能超过U(BR)DS。 1.4.3结型场效应管的特性曲线 结型场效应管的特性曲线是指各极间电压与各极电流间的关系曲线。 1、转移特性曲线 当UDS不变时,漏极电流iD与栅源电压uGS的关系称为转移特性,其表达式 理论分析和实测结果表明,iD与uGS符合平方律关系,即 式中: IDSS——饱和电流,表示uGS=0时的iD值;UP——夹断电压,表示uGS=UP时iD为零。 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(P)沟道JFET中,uGS必须为负(正)值。 2、输出特性曲线 当UGS不变时,漏极电流iD与漏源电压uDS的关系称为转移特性,其表达式 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 当UGSoff (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|时,沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断),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。 (如图所示) (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。 JFET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 绝缘栅场效应管 1.5.1绝缘栅场效应管的结构与工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管为例) 绝缘型场效应管(InsulatedGateFieldEffectTransistor)简称IGFET,有N沟道IGFET和P沟道IGFET之分。 N沟道IGFET和P沟道IGFET又可分为增强型IGFET和耗尽型IGFET。 IGFET由金属、氧化物和半导体制成,因此又称为金属氧化物—半导体场效应管,或简称MOS场效应管。 其中图(a)为立体结构示意图,图(b)为平面结构示意图。 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(c)符号图 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,并引出两个电极,分别作漏极D和源极S。 然后在半导体表面覆盖一层很薄的SiO2绝缘层,在漏源极间的绝缘层上引出一个电极作为栅极G。 衬底也引出一根引线B,通常将它与源极在管子内部连接在一起。 MOS管符号图中的箭头方向由P(衬底)指向N(沟道)。 1、导电沟道的形成及工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管为例) 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。 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成 (1)uGS对iD的控制作用 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的,增强型MOS管的漏极和源极之间有两个背靠背的PN结。 党栅极电压UGS=0时,不论uDS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,因而此时漏极电流iD≈0。 若在栅源极间加上正向电压,即uGS>0,则在栅极和衬底之间的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,留下不能移动的受主离子(负离子),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uGS较小,吸引电子能力不强时,漏源极之间仍无导电沟道出现。 uGS值越大,吸引到P型衬底表面层的电子越多,当uGS达到某一值时,这些电子在栅极附近的P型衬底表面便形成了一N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏源极间形成N型导弹沟道(其导电类型与P型衬底相反,故又称为反型层)。 这时漏源极间若加上电压uDS,就会有电流iD产生。 当uDS一定时,uGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P型衬底表面的电子就越多,导电沟道就越厚,沟道电阻将越小,iD也就越大。 我们把开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压VT。 由以上分析可知,N沟道增强型MOS管在uGS 只有当uGS≥VT时,才有沟道形成,在uDS的作用下,iD>0,管子导通。 而且uGS增大时,沟道变厚,沟道电阻减小,iD增大。 这种必须在uGS≥VT时才能形成导电沟道的长效应管称为增强型场效应管。 (2)uDS对iD的影响 导电沟道形成后,在uDS的作用下,沟道厚度的变化情况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uGD=uGS-uDS,因而这里沟道最薄。 随着uDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当uDS增加到使uGD=uGS-uDS=VT(或uDS=uGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断。 再继续扩大uDS,夹断点将向源极方向移动,但漏极电流iD基本上保持预夹断时的大小,即iD几乎不随uDS增大而增加,趋于饱和。 其原因与结刑场效应管相同。 uDS增大时增强型MOS管沟道的变化过程 (a)uDS 2、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图所示。 其主要特点为: (1)当uGS (2)当uGS>UGSth时,iD>0,uGS越大,iD也随之增大,二者符合平方律关系。 N沟道增强型MOSFET的转移特性 式中: UGSth——开启电压(或阈值电压);μn——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 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。 3、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图所示。 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 (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 因为UGD=UGS-UDS,当UDS增大,使UGD 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。 沟道调制系数λ。 不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图),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,λ越小。 考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为 但由于λ<<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 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 此式表明,uGS越大,rDS越小。 1.5.2N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。 N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: ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。 PMOS管也有两种: 增强型和耗尽型。 增强型PMOS管在工作时为了在漏源极之间形成P型沟道,栅源极之间电压uGS必须为负,而且漏源极电压uDS及漏极电流iD也与NMOS管的相反。 1.5.3各种类型MOS管的符号及特性对比 各种管子的输出特性形状是一样的,只是控制电压UGS不同 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 1.5.3场效应管的参数 1、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): uGS=0时的漏极电流。 2)夹断电压UP: uDS固定时,使耗尽型场效应管(JFET,MOSFET)漏极电流减小到某一微小值(测试时用iD≈1μA)时的栅源电压值。 当栅源电压uGS=UP时,iD=0 3)开启电压UT: uDS固定时,使增强型MOSFET开始导电时的栅源电压值。 (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 漏、源极短路时栅极直流电压UGS与栅极直流电流IG的比值称为直流输入电阻RGS。 对结型场效应管,RGS在108~1012Ω之间。 对MOS管,RGS在1010~1015Ω之间。 通常认为RGS→∞。 2、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 3、交流参数 1)跨导gm 在uDS、uBS为常数时,漏极电流的微变量与栅源电压的微变量之比,即 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 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。 对增强型MOSFET,其电流方程为 那么,对应工作点Q的gm为 式中表明,增大场效应管的宽长比和工作电流,可以提高gm。 背栅跨导gmb: 当uDS、uBS为常数时,iD的微变量与uBS电压的微变量之比,即 gmb和gm之比称为跨导比,用η表示,即 2)输出电阻rds 输出电阻rds定义为 恒流区的rds可以用下式计算: 3)极间电容: 场效应管3个电极之间存在极间电容CGS、CGD和CDS,一般为皮法量级。 1.5.3场效应管的的低频小信号模型 因为 所以 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 场效应管低频小信号简化模型 所对应的等效电路分别如图(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。 1.5.4场效应管与晶体三极管的比较 1、场效应管是利用多数载流子导电的器件,称为单极型晶体管,温度性能较好,并具有零温度系数工作点。 2、场效应管是电压控制器件,输入电阻很高。 3、MOSFET的噪声比BJT低,JFET的噪声比MOSFET的噪声还要低。 4、正常工作时,耗尽型MOSFET的栅压可正可负,灵活性较大,而增强型MOSFET、JFET的栅极电压和BJT的基极偏压只能是一种极性。 5、正常工作时,BJT的发射极和集电极不能互换 6、MOSFET工艺最简单(与BJT、JFET相比),功率又小,封装密度极高,适合于制造大规模、超大规模集成电路。 7、BJT具有跨导大、电压增益高、非线性失真小、性能稳定等优点,所以在分立元件电路和中、小规模模拟集成电路中,BJT电路占优势。 8、FET在小电流、小电压工作时,漏源极间可以等效为一受栅压控制的可变电阻器,因此被广泛应用于自动增益控制、电压控制衰减器等中。
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