模拟电子电路4

第3章场效应管（FieldEffectTransistor）FET：利用电场效应控制其电流的正向受控器件特点：工艺简单，占用芯片面积小，输入阻抗高（107Ω以上）

MOS型（金属-氧化物-半导体Metal-Oxide-SemiconductorFET或MOSFET）分类结型（JunctionFET，或JFET）内容:场效应管的工作原理、特性和模型

3.1MOS场效应管增强型(EnhancementMOS或EMOS)分类耗尽型(DepletionMOS或DMOS)

N沟道(Channel)导电类型P沟道一、N沟道EMOS场效应管1、结构2、工作原理工作条件：PN结必须反偏（含零偏），源极一般与衬底相连，所以VDS必须为正值。工作过程:(1)沟道的形成①②VGS>0→指向衬底的电场→吸引电子,排斥空穴→空间电荷(b图)③VGS↑→电子薄层→N+NN+→导电沟道(N)(c图)开始形成沟道的VGS为开启电压—VGS(th)④VGS↑→沟道宽度↑→导电能力↑→ID↑(2)VDS对沟道的控制(VGS>VGS(th))①VDS>0(很小),ID随VDS线性增加②VDS↑→沿沟道有电位梯度→近漏极沟道深度变窄→电阻↑→ID上升斜率↓→ID增加缓慢VDS↑→VGD↓(VGD=VGS-VDS)→VGD=VGS(th)→近漏极端的电子层消失→沟道预夹断(A)④VDS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，沟道电压也从此基本恒定下来。所以随VDS的增大，ID基本恒定，从此进入恒流区。

(3)沟道长度调制效应VDS↑→A点略左移→沟道长度↓→电阻↓→ID↑(略)3.伏安特性(共源)输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图所示。它与NPN型晶体三极管共发射极的输出特性相似，它也分为恒流区(饱和区)、可变电阻区(非饱和区)、截止区和击穿区。1.非饱和区预夹断前VGS>VGS(th)VDS<VGS-VGS(th)ID同时受VGS、VDS控制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。简化VDS很小，忽略二次项ID与VDS呈线性→电阻（受VGS控制）2.饱和区(放大区、恒流区）预夹断后，VGS>VGS(th)VDS>VGS-VGS(th)·曲线平坦，VGS对ID控制能力强。·VDS对ID的控制能力弱。正向受控作用：VGS控制ID平方律关系→转移特性转移特性曲线主要特点为：

(1)当VGS<VGS（th）时，ID=0。

(2)当VGS>VGS（th）时，ID>0，VGS越大，ID也随之增大，二者符合平方律关系，计沟道长度调制效应3.截止区：VGS≤VGS（th），导电沟道未形成，ID=0。4.击穿区VDS↑→PN结雪崩击穿→ID↑↑VGS过大→SiO2绝缘层的击穿（永久性损坏）二、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET)

1、结构增强型N沟道MOSFET在VGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在VGS=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++)，这些正离子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。P沟道N沟道2、伏安特性由于VGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时VDS>0，就有漏极电流。如果VGS>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VGS<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VGS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。相应的VGS称为夹断电压VGS(th)

。输出特性曲线（a）和转移特性曲线（b）三、各种类型MOS管的符号及特性对比下图给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。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)输出特性各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压VGS不同。四、分析方法用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。联立求解，解二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是求得静态工作点。。3.2结型场效应管

结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)简称JFET，有N沟道JFET和P沟道JFET之分。下图给出了JFET的结构示意图及其表示符号。N沟道JFET，是在一块N型硅片两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P++型区，形成两个PN结，将两个P++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型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极，这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)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。一、工作原理（以N沟道为例）工作条件：PN结反偏（含零偏），VGS为负→VDS为正1、VGS对ID的控制因为栅源电压为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG≈0，这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。(a)VGS=0，沟道最宽，ID最大；(b)VGS负压增大，沟道变窄，ID减小；当栅源负压VGS加大时，PN结变厚，并向N区扩张，使导电沟道变窄，沟道电导率变小，电阻变大，在同样的VGS下，ID变小；(c)VGS负压进一步增大，沟道夹断，ID=0当|VGS|加大到某一负压值时，两侧PN结扩张使沟道全部消失，此时，ID将变为零。我们称此时的栅源电压VGS为“夹断电压”，记为VGS（off）。可见，栅源电压VGS的变化，将有效地控制漏极电流的变化，这就是JFET最重要的工作原理。2、VDS对ID的控制（1）VDS＞0（较小）→ID随VDS线性增加（2）VDS↑→沿沟道有电位梯度→近漏极反偏电压最大→PN结→沟道宽度↓→电阻↑→ID增加缓慢（a）图（3）VDS↑→VDG↑→靠近漏区的PN结变厚，当VGD=VGS（off）→沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图(b)所示。（4）VDS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VDS的变化对ID影响很小。预夹断点：二、伏安特性曲线1.非饱和区（可变电阻区）当VDS很小，VDS<VGS-VGS（off）时，即预夹断前如图(a)所示，VDS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VDS的增大，ID增大很快。受VGS控制的线性电阻2.恒流区（饱和区）恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：当VGSoff<VGS<0时，ID与VGS符合平方律关系，VGS对ID的控制能力很强。转移特性和转移特性曲线（图b）IDSS——饱和漏电流，表示VGS=0且预夹断时的ID值；3.截止区当VGS<VGS(off)|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VDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压VDG(=VDS-VGS)也随之增大，PN结雪崩击穿，ID剧增。三、FE