1、14 4 場效應半導體三極管場效應半導體三極管 4.1 結型場效應三極管 4.2 砷化鎵金屬-半導體場效應三極管 4.3 金屬金屬氧化物氧化物半導體場效應管半導體場效應管 4.4 場效應三極管放大電路 4.5 雙極型和場效應型三極管的比較2 場效應半導體三極管是僅由一種載流子參與場效應半導體三極管是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出制輸出電流的的半導體器件。從參與導電的載流子來劃電流的的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作溝道器件和空穴作為載流子的為載流子的P溝道器件。

2、溝道器件。 從場效應三極管的結構來劃分，它有兩大類。從場效應三極管的結構來劃分，它有兩大類。 1.結型場效應三極管結型場效應三極管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2.絕緣柵型場效應三極管絕緣柵型場效應三極管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister)金屬氧化物半導體三極管金屬氧化物半導體三極管MOSFET 是是IGFET的一種的一種 （Metal Oxide Semiconductor FET）34.1 4.1 結型場效應三極管結型場效應三極管 1、結型場效應三極管的結構（1）N溝道：它

3、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。一個P區即為柵極，N型硅的一端是漏極，一端是源極。 結型場效應三極管的結構(動畫4-1）（2）P溝道4 2 2、 結型場效應三極管的工作原理結型場效應三極管的工作原理 根據結型場效應三極管的結構，PN結只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結型場效應三極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。現以N溝道為例說明其工作原理。5 漏源電壓對溝道的控制作用漏源電壓對溝道的控制作用 當VDS增加到使VGD=VGS-VDS= VP時，在緊靠漏極處出現預夾斷。當VDS繼續增加，漏極處的夾斷繼續向源極方向

4、生長延長。 漏源電壓對溝道的控制作用（動畫4-2）夾斷電壓VP VDS=0，在柵源加電壓，且VGS逐漸增加，柵極與溝道間的耗盡層隨之增厚，當耗盡層接觸（溝道夾斷）時的VGS稱夾斷電壓VP （ VP 0）。 在柵極加上電壓，且VGS VP ，若漏源電壓VDS從零開始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布。6柵源電壓對溝道的控制作用柵源電壓對溝道的控制作用 當VDS=Const時，加VGS0， PN結反偏，形成耗盡層，VGS減小（反向增加）時，漏、源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續減小，溝道繼續變窄，ID繼續減小直至為0。當漏極電流為

5、零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。這一過程見動畫4-2。 VGS對溝道的控制作用（動畫4-2 ）7 3 3、結型場效應三極管的特性曲線、結型場效應三極管的特性曲線 JFET的特性曲線有兩條，一是轉移特性曲線，二是輸出特性曲線。結型場效應三極管的柵源電壓：P溝道的為正N溝道為負。JFET的特性曲線如圖4.2所示。8(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉移特性曲線 圖4.2 N溝道結型場效應三極管的特性曲線3、主要參數、主要參數 動畫4-3動畫4-494.3 金屬氧化物半導體場效應管4.3.1N溝道增強型MOSFET 1.1.結構、符號結構、符號 MOSFET( Metal Oxide S

6、emiconductor FET)是絕緣柵場效應三極管的一種分為分為 增強型增強型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見圖4.3。電極D(Drain)稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極； G(Gate)稱為柵極，相當于的基極； S(Source)稱為源極，相當于發射極。 圖4.3 N溝道增強型MOSFET結構和符號 10 根據圖4.3， N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層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，圖4.3 N溝道增強型MOS

7、FET結構和符號 動畫4-5 一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底，用符號B表示111.反型層當VDS =0，加VGS，SiO2絕緣層中形成電場，吸引電子，形成電子層，排斥空穴形成耗盡層。因電子層與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。 2.開啟電壓VT 加 VDS ，能夠形成漏極電流的最小VGS，為開啟電壓VT12 當柵極加有電壓時，若0VGSVT時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，

8、所以不可能以形成漏極電流ID。3 工作原理 1柵源電壓VGS的控制作用 當VGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。(動畫4-6)13VGS對漏極電流的控制關系可用 ID=f(VGS)VDS=const 這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，見圖4.4。14圖4.4 VGS對漏極電流的控制特性轉移特性曲線 轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。跨導的定義式如下 gm=ID/VGS VDS=const (單位mS) ID=f(VGS)VDS=const15 2 2漏源電壓漏源電壓

9、VDS對漏極電流對漏極電流ID的控制作用的控制作用 當VGS VT ，且固定為某一值時，來分析漏源電且固定為某一值時，來分析漏源電壓壓VDS對漏極電流對漏極電流ID的影響。的影響。VDS的不同變化對溝道的影的不同變化對溝道的影響如圖響如圖15所示。根據此圖可以有如下關系所示。根據此圖可以有如下關系 VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 當VDS為0或較小時，相當VGS VT ，溝道分布如圖4.5(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。圖4.5(a) 漏源電壓VDS對溝道的影響(動畫4-7）16 當當VDS為為0或較小時，或較小時，相當相當VGSVGS(t

10、h)，溝道分布溝道分布如圖如圖4.5(a)，此時，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。呈斜線分布。 當當VDS增加到使增加到使VGS=VGS(th)時，溝道如圖時，溝道如圖4.5(b)所所示。這相當于示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為的情況，稱為預夾斷預夾斷。 當VDS增加到VGSVGS(th)時，溝道如圖4.5(c)所示。此時預夾斷區域加長，伸向S極。 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。 當VGSVGS(th)，且固定為某一值時， VDS對ID的影響，即ID=f(

11、VDS)VGS=const這一關系曲線如圖4.6所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。17圖02.16 漏極輸出特性曲線ID=f(VDS)VGS=const18 4.3.2 4.3.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 當當VGS0時，將使時，將使ID進一步增加。進一步增加。VGS0時，時，隨著隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對。對應應ID=0的的VGS稱為夾斷電壓，用符號稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，表示，有時也用有時也用VP表示。表示。N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的轉移特的轉移特性曲線如圖性曲線如圖4.7(b)所示。所示。 N溝

12、道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖的結構和符號如圖4.7(a)所示，它是在柵極下方的所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離時，這些正離子已經在感應出反型層，在漏源之間形成了溝道。子已經在感應出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。19 (a) 結構示意圖 (b) 轉移特性曲線 圖4.7 N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線 20P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同

13、，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。214.3.3 4.3.3 各種各種FETFET的特性的特性及使用注意事項及使用注意事項 場效應三極管的特性曲線類型比較多，場效應三極管的特性曲線類型比較多，根據導電溝道的不同，以及是增強型還是耗根據導電溝道的不同，以及是增強型還是耗盡型可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，盡型可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統一其電壓和電流方向也有所不同。如果按統一規定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。規定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將為了便于繪制，將P溝道

14、管子的正方向反過溝道管子的正方向反過來設定。有關曲線繪于圖來設定。有關曲線繪于圖4.8之中。之中。22 圖4.8 各類場效應三極管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型23絕緣柵場效應管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型24結型場效應管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型25場效應三極管的參數和型號場效應三極管的參數和型號(1) (1) 場效應三極管的參數場效應三極管的參數 開啟電壓開啟電壓VGS(th) (或或VT) 開啟電壓是開啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于增強型管的參數，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值開啟電壓的絕對值, 場效應管不能導通場效應管不能導通。 夾斷電壓夾斷電壓VGS(of

15、f) (或或VP) 夾斷電壓是耗盡型夾斷電壓是耗盡型FET的參數，當的參數，當VGS=VGS(off) 時時,漏極電流為零。漏極電流為零。 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應三極管耗盡型場效應三極管, 當當VGS=0時所對應的漏極時所對應的漏極電流。電流。26 輸入電阻RGS 場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107，對于絕緣柵型場效應三極管, RGS約是1091015。 低頻跨導gm 低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點與電子管的控制作用相似。gm可以在轉 移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。 最大漏極功耗PDM 最大漏極

16、功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當。27 (2) 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。28幾種常用的場效應三極管的主要參數見表04.02。 表04.02 場效應三極管的參數 參 數型號PDM

17、 mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 29半導體三極管圖片半導體三極管圖片30半導體三極管圖片半導體三極管圖片31雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較 雙極型三極管 場效應三極管結構 NPN型 結型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型 N溝道

18、 P溝道 C與E一般不可倒置使用 D與S有的型號可倒置使用載流子 多子擴散少子漂移 多子漂移輸入量 電流輸入 電壓輸入 控制 電流控制電流源CCCS() 電壓控制電流源VCCS(gm)32 雙極型三極管 場效應三極管噪聲 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334.4 4.4 場效應三極管放大電路場效應三極管放大電路 的分析方法的分析方法4.4.1 4.4.1 共源組態基本放大電路共源組態基本放大電路4.4.2 4.4.2 共漏組態基本放大電路共漏組

19、態基本放大電路4.4.3 4.4.3 共柵組態基本放大電路共柵組態基本放大電路4.4.4 4.4.4 三種組態基本放大電路的比較三種組態基本放大電路的比較344.4.14.4.1共源組態基本放大電路共源組態基本放大電路 對于采用場效應三極管的共源基本放大對于采用場效應三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態接法的基本放大電路電路，可以與共射組態接法的基本放大電路相對應，只不過場效應三極管是電壓控制電相對應，只不過場效應三極管是電壓控制電流源，即流源，即VCCS。共源組態的基本放大電路。共源組態的基本放大電路如圖如圖03.2803.28所示。所示。(a)采用結型場效應管(b)采用絕緣柵場效應管圖

20、圖 4.9 共源組態接法基本放大電路共源組態接法基本放大電路 比較共源和共射放大電路，它們只是在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，就是解電路的問要將微變等效電路畫出，就是解電路的問題了。題了。35(1)(1)直流分析直流分析 將共源基本放大電路的直流通道畫出,如圖4.10所示。4.10 共源基本放大 電路的直流通道 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J

21、FET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。 根據圖根據圖04.29可寫出下列可寫出下列方程方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQ(Rd+R) 于是可以解出于是可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。36圖圖4.11 微變等效電路微變等效電路(2)(2)交流分析交流分析 畫出圖03.28電路的微變等效電路，如圖04.40所示。 與雙極型三極管相比，輸入電阻無窮大，與雙極型三極管相比，輸入電阻無窮大，相當開路。相當開路。VCCS的電流源的電流源 還并聯了一個還并聯了一個

22、輸出電阻輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡化模型中，在雙極型三極管的簡化模型中，因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時保留。因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。gsmVg37電壓放大倍數電壓放大倍數 如果有信號源內阻RS時 =gmRLRi / (Ri +RS) 式中Ri是放大電路的輸入電阻。LddsLLmgsLddsgsmLddsgsmo/)/()/(RRrRRgVRRrVgARRrVgVvvA輸入電阻輸入電阻 RVIRRiiig1g2/ /.38輸出電阻輸出電阻 為計算放大電路的輸出電阻，可按雙口為計算放大電路的

23、輸出電阻，可按雙口網絡計算原則將放大電路畫成圖網絡計算原則將放大電路畫成圖04.4104.41的形式。的形式。圖 4.12 計算Ro的電路模型 將負載電阻將負載電阻RL開路，并想象在輸出端加開路，并想象在輸出端加一個電源一個電源 , 將輸入電壓信號源短路，但保將輸入電壓信號源短路，但保留內阻。然后計算留內阻。然后計算 ，于是，于是 ddsooo/=RrIVR39交流參數歸納如下電壓放大倍數LmioRgVVAvddsdooo/RrRIVR輸出電阻輸入電阻 Ri=Rg1/Rg2 或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2) 404.4.2 4.4.2 共漏組態基本放大電路共漏組態基本放大電路共漏組態基本放大

24、電路如圖共漏組態基本放大電路如圖4.134.13所示所示圖 04.42 共漏組態放大電路 04.43 直流通道其直流工作狀態和動態分析如下。其直流工作狀態和動態分析如下。(1)(1)直流分析直流分析 將共漏組態基本放大電路的直流通道畫于圖將共漏組態基本放大電路的直流通道畫于圖04.4304.43之中，于是有之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQR由此可以解出由此可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。41LmLmLdsgsmgsLdsgsmio1)/()/(RgRg

25、RRrVgVRRrVgVVAv(2)(2)交流分析交流分析 將圖將圖4.134.13的的CD放大電路的微變等效電放大電路的微變等效電路畫出，如圖路畫出，如圖4.144.14所示。所示。圖4.14 共漏放大電路的微變等效電路電壓放大倍數電壓放大倍數。式中LLdsL/RRRRrR vA為正，表示輸入與輸出同相，當 gmRL1 時，vA1。比較共源和共漏組態放大電路的電壓放大倍數公比較共源和共漏組態放大電路的電壓放大倍數公式，分子都是式，分子都是gmRL，分母對共源放大電路是，分母對共源放大電路是1，對共漏放大電路是對共漏放大電路是(1+ gmRL)。輸入電阻輸入電阻)/(g2g1giRRRR42 輸出電阻輸出電阻 計算輸出電阻的原則與其它組態相同，計算輸出電阻的原則與其它組態相同，將圖將圖4.14改畫為圖改畫為圖4.15。圖4.15 求輸出電阻的微變等效電路mmmdsdsmdsooogsomdsogsmdsoo1/1)/(1/)/1/(/,)/1/(/)/(gRRgRgrRrRgrRIVRVVgrRVVgrRVI43交流參數歸納如下電壓放大倍數LmLmio1RgRgVVAvmmdsooo1/)/1/(/gRgrRIVR輸出電阻輸入電阻Ri=Rg+(Rg1/Rg2)44LmLdmgsLdgsmio)/()/(RgRRgVRRVgVVAv4.4.3 4.