1、第四章第四章 場效應管場效應管 場效應管是一種利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道溝道器件和空穴作為載流子的P溝道溝道器件。場效應管：結型N溝道P溝道 MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型4.1 絕緣柵型場效應管( Insulated Gate Field Effect Transister)絕緣柵型場效應管IGFET有稱金屬氧化物場效應管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一種利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件

2、，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻大于109。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道， 在VDS作用下iD。1. 結構和符號（以（以N溝道增強型為例）溝道增強型為例） N溝道增強型MOSFET拓撲結構左右對稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個電極作為GD(Drain):漏極，相當漏極，相當c G(Gate):柵極，相當柵極，相當b S(Source):源極，相當源極，相當eB(Substrate):襯

3、底襯底結構動畫結構動畫2. 工作原理（以N溝道增強型為例）(a) VGS=0時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結反向，所以不存在導電溝道。 VGS =0， ID =0VGS必須大于必須大于0管子才能工作。管子才能工作。（1）柵源電壓）柵源電壓VGS的控制作用的控制作用（1）柵源電壓VGS的控制作用 （b）當柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th) （ VT 稱為開啟電壓)時，在Sio2介質中產生一個垂直于半導體表面的電場，排斥P區多子空穴而吸引少子電子。 但由于電場強度有限，吸引到絕緣層的少子電子數量有限，不足以形成溝道，將漏極和源

4、極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0VGSVT ， ID=0（1）柵源電壓VGS的控制作用(c)進一步增加VGS，當VGSVT時，由于此時的柵極電壓已經比較強，柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成溝道。如果此時VDS0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導電溝道中的電子，因與P型區的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續增加，反型層變厚，ID增加VGS 0g吸引電子吸引電子反型層反型層導電溝道導電溝道VGS 反型層變厚反型層變厚 VDS ID 柵源電壓柵源電壓VGS的的控制作用動畫控制作用動畫（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VG

5、SVT且固定為某一值，VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDSVDS為0或較小時， VGD=VGSVDS VT，溝道分布如圖，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。VDS ID （2 2）漏源電壓）漏源電壓VDS對漏極電流對漏極電流ID的控制作用的控制作用（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b）當VDS增加到使VGD=VT時，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDS ID 不變不變（c）當VDS增加到VGDVT時，溝道如圖所示

6、。此時預夾斷區域加長，向S極延伸。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變漏源電壓漏源電壓VDS對對溝道的影響動畫溝道的影響動畫 ID=f(VGS)VDS=const轉移特性曲線 iD vGS /VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線 vDS /V iD3. 特性曲線（以N溝道增強型為例）值時的是在恒流區，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1-(020轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，稱為跨導。 gm=ID/VGS VDS=const 輸出特性曲線 vDS /V iD(1) (1

7、) 截止區（夾斷區）截止區（夾斷區）VGS |VP |時的漏 極電流。（耗盡）(4) 極間電容 ：漏源電容CDS約為 0.11pF，柵源電容CGS和柵 漏極電容CGD約為13pF。場效應管的主要參數(5) 低頻跨導 gm ：表示vGS對iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =在轉移特性曲線上， gm 是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達式求導得出，單位為 S 或 mS。(6) 最大漏極電流 IDM (8) 漏源擊穿電壓 V(BR)DS 柵源擊穿電壓 V(BR)GS (7) 最大漏極耗散功率 PDM 場效應三極管的型號 場效應三極管的型號, 現行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第

8、三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場效應管，以數字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規格。例如CS14A、CS45G等。幾種常用的場效應三極管的主要參數見表幾種常用的場效應三極管的主要參數見表 參 數 型號 PDM mW IDSS mA VRDS V VRGS V VP V gm mA/ V fM MHz 3DJ2D 100 20 20 -4 2 300 3DJ7E 100 20 20 -

9、4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 4. 2 結型場效應管(Junction type Field Effect Transister) 1. N溝道結型場效應管的結構和符號 結型場效應管是一種利用耗盡層寬度改變導電溝道的寬窄來控制漏極電流的大小的器件。它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。P區即為柵極g(G)，N型硅的一端是漏極d(D)，另一端是源極s(S)。箭頭方向表示柵結正偏或正偏時柵極電流方向。N溝道結型

10、場效應管的結構動畫2. 工作原理ID（1）VGS對導電溝道的影響：VP(VGS(OFF) )：夾斷電壓柵源之間是反偏的PN結，RGS107，所以IG=0(a) VGS=0，VDS=0，ID=0 結型場效應管沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下。N溝道結型場效應管只能工作在負柵壓區，P溝道的只能工作在正柵壓區，否則將會出現柵流。N溝道結型場效應管工作原理：工作原理(c) |VGS | = VP ，導電溝道被全夾斷(b) 0 VGS 0 但|VGS-VDS| |VP |時的漏極電流2 )-1 (PGSDSSDVvIi 當|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流區，vDS對iD的影響很

11、小。實驗證明，當|vGS - vDS | | VP | 時，iD可近似表示為：場效應管總結雙極型和場效應型三極管的比較雙極型三極管雙極型三極管場效應三極管場效應三極管結構NPN型PNP型結型耗盡型 N溝道 P溝道絕緣柵增強型 N溝道 P溝道絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道C與E一般不可倒置使用D與可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移控制電流控制電流源CCCS()電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規模集成適宜大規模和超大規模集成4.3 場效應管應用場效應管應用例1：

12、作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0|VT|VT ，截止 Tn:VGSn=VddVT ，導通Vo= 0Vi= 0時：Tp:VGSp=-VddVT ，導通Tn:VGSn=0VT ，截止Vo= +VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn場效應管應用例2：壓控電阻場效應管工作在可變電阻區時，iD隨vDS的增加幾乎成線性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制的電阻。20K5Vd+_vovivivo4.4 場效應管放大電路場效應管的小信號模型共源極放大電路共漏極放大電路共柵組態基本放大電路4.4.1 場效應管的小信號模型DSdsGSmDdvrdvgdi1),(=DSG

13、SDvvfi已知場效應管輸出特性表達式：DSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分:dsVDSDrviGS1漏極與源極間等效電阻dsdsgsmVrVgId1變化量mVGSDgviDS其中： 低頻跨導,可從輸出曲線上求出場效應管的小信號模型一般rds很大，可忽略，得簡化小信號模型:4.4.2 共源極放大電路以NMOS增強型場效應管為例三極管共射極(b)共集電極(c)共基極(b)場效應管 共源極(s)共漏極(d)共柵極(g)三極管與場效應管三種組態對照表： 電路組成 比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個解電路的問題

14、了。 圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應。而且只要結型場效應管柵源間PN結是反偏工作，無柵流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。直流分析（估算法）直流通路 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。交流分析微變等效電路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIRRiiig1g2/ /.doo=RIVRoisiv

15、sRRRRgALm4.4.3 共漏極放大電路 直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出VGS、ID和VDS。與三極管共集電極電路對應直流通路：交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sosivvsiivsRRAARRRVVA輸出電阻RgRgRIVRVVgRVVgRVImmooogsomogsmoo11/1/4.4.4 共柵極放大電路RoRdmmgsmgsgsiii1/11gRgRVgRVVIVRLmLdmg

16、sLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv例題例題1 共源共源已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mAVP=-2V解：靜態分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入參數得：3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi -C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo -例題例題1解解動態分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15KLdLLgsmogsmgsiRRRRVgVRVgVV/53. 11)/(m

17、LmgsmgsLgsmioRgRgRVgVRRVgVVAv例題例題2 多級放大電路多級放大電路已知： VBE=0.6V, =120, gm=3mA/V, VP=-2V, IDSS=4mA+vi -Q1Q2Q3Rg10MRs2kRd15kRC212kRe1200Re220kRe33.6kRL2kC1C2VCC15V+vo-解：靜態分析：VGS=-RsIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入參數得：4ID2-9ID+4=0ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去）VGS=-1.22V VDVCC-IDRd=5.85V（忽略IB2）IE2= (VDVBE2)/(Re1+Re2)=0.26mAVC2VCC-IE2RC2=11.88V（忽略IB3）IE3= (VC2VBE3)