【圖】場效應管及其放大電路基礎知識
(2016/12/24 0:45:00)
場效應管及其放大電路基礎知識
場效應管及其放大電路基礎知識
場效應晶體管FET(Field Effect Transistor)簡稱場效應管，是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，它和晶體三極管一樣具有放大作用。
場效應管不僅具有一般晶體三極管體積小、重量輕、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、易于制造、便于集成等優勢，故被廣泛應用于集成電路中。
根據其結構的不同，場效應管通常分為結型場效應管(JFET)和絕緣柵場效應管(IGFET)兩大類。本章首先介紹了兩種場效應管的結構、工作原理及其特性曲線；分析比較場效應管與晶體三極管的特點，闡述了其主要參數；最后介紹了場效應管的兩種基本放大電路——共源放大電路及共漏放大電路，我們應掌握其偏置電路、交流等效電路分析法及其性能指標的計算。
3.1 結型場效應管
3.1.1 結型場效應管基本結構和類型
結型場效應管可分為N溝道和P溝道兩種類型。它們的結構示意圖及相應的電路符號見圖3.1。圖3.1(a)是N溝道結型場效管的內部結構及電路符號。它在一塊N型半導體材料兩側，通過高濃度擴散制造兩個重摻雜的P+型區，形成兩個P+N結。把兩個P+區接在一起形成一個電極，稱為柵極（G）。中間的N型區是載流子的流通路徑，稱之為導電溝道，在它的兩端分別引出兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。所以這一器件從外部看也有三條電極引線，從內部看也是背靠背的兩個PN結。由于它的導電溝道為N型半導體，故取名N溝道結型FET。圖3.1(b)是P溝道JFET的結構及電路符號，它與N溝道JFET相類似，只是導電溝道變為P 型半導體。圖中柵極G的箭頭方向表示了GS之間PN結的正偏方向。
3.1.2 結型場效應管的基本工作原理
場效應管是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，其實質就是通過改變加在柵源之間的反偏電壓UGS來改變PN結耗盡層的寬度，從而改變了導電溝道的寬度，也就是改變了導電溝道的電阻，最終實現對輸出電流ID的控制。
N溝道JFET在正常工作時，柵源之間所加電壓 UGS＜0，即柵源之間的PN結處在反偏狀態。若忽略反向電流，則柵極電流為零。這時漏源之間電流ID的大小由溝道呈現的電阻大小決定。而溝道電阻的大小則由溝道的半導體材料的電阻及尺寸決定，由于柵源之間的P+N加的是反偏電壓，故P+N結的空間電荷區寬度將隨反偏電壓增大而增大，而且空間電荷 區主要向溝道一側延伸，這樣，改變UGS的大小時就達到了控制溝道寬度的目的，從而實現了對溝道電阻的控制作用。當漏源之間加有UDS＞0的電壓時，漏源電流ID就將隨UGS的變化而變化，進而達到UGS對ID的控制目的。
在圖3.2所示的情況下，我們可以看到當UDS＝0時，UGS變化對其導電溝道的影響。它表示了UGS對溝道寬度的控制作用。由圖可見，當UGS＝0時，導電溝道最寬，若此時加的漏源電壓UDS，則相應的ID最大。|UGS|越大，其導電溝道就越窄，相應的溝道電阻就越大，因而當漏源之間加有電壓UDS時，其漏極電流就越小。當|UGS|增加到一個數值為||的電壓時，由于P+N結的耗盡區向溝道一側擴展的結果，使溝道完全消失（即兩個P+N結的耗盡區完全合攏），如圖3.2(c)所示。這種狀態通稱為溝道的夾斷狀態，相應的稱為夾斷電壓。此時JFET的漏源之間即使加有電壓UDS，也不會有溝道電流產生，即ID＝0。
由此我們可以知道，由于柵源之間加的反偏電壓，故從柵
極看進去所呈現的阻抗很高；此外，依靠UGS產生的電場效
應通過對P+N結耗盡區寬度的控制可以有效地實現對漏極電
流的控制作用，且當UGS＜UP時，由于溝道夾斷，漏源之
間處在斷路狀態。
2.ＵDS對ID的影響
當UGS＝0時，改變UDS對導電溝道產生的影響，如圖3.3所示。當N溝道JFET正常工作時，UDS＞0，即漏源之間為正極性電壓。在UGS＝UDS＝0時，靠近漏端與源端的溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道寬度，如圖3.2(a)所示。當UGS＝0，UDS＞0時，則靠近漏端的P+N結反偏電壓要大于靠近源端P+N結的反偏電壓，因此耗盡區向溝道一側延伸的寬度就不同了，導致靠近漏端的溝道寬度窄而靠近源端的溝道寬度寬。這種延溝道長度方向上溝道寬度的不均勻性是由UDS引起的。其具體解釋如下：因為UDS＞0，漏源之間產生了一個較大電流，因為ID的方向是從上到下，所以沿溝道的方向從上至下有一上電壓降落。設源極（最下面）電位為參考點，則溝道上各點的電位不同，最下面D點的電位最高，最下面源極處電位最低。PN結的反向偏壓數值在最上面靠近漏極D點最大，所以耗盡區最寬，而最下面源極S處為最小，所以耗盡區最窄，因而形成的耗盡區的形狀是上寬下窄。隨著UDS增加這種溝道寬度不均勻性將越發明顯。
一旦當UDS＝－時，則靠近漏端就出現了溝道合攏的情況，如圖3.3(b)所示。這種狀態通常稱為預夾斷狀態。預夾斷與前面的夾斷是不一樣的，器件在預夾斷時，漏源之間有較大的電流流過。而夾斷狀態時，則ID＝0。當器件到達預夾斷狀態后，若繼續加大UDS，則將會出現耗盡區的合攏點（預夾斷點）沿溝道向源極方向移動的現象，如3.3(c)所示。這將導致導電溝道變短，從而使溝道電阻略有減小，但變化不大，這是由于夾斷區是高阻區，外加電壓UDS的增量主要降落在預夾斷區，因而對溝道長度的影響甚小。這種隨UDS變化溝道長度隨之略有變化的現象稱為溝道長度調制效應。可見，在溝道預夾斷之后，UDS變化對溝道電流ID的影響是很小的。場效應管的這種工作狀態稱為恒流區（飽和區或放大區）。作為放大元器件，場效應管就是工作在這一狀態。不過應當注意，當UDS過大時，由于P+N結的反偏過大，將產生反向擊穿現象，工作時必須避免這種情況發生。
場效應管及其放大電路基礎知識
場效應晶體管FET(Field Effect Transistor)簡稱場效應管，是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，它和晶體三極管一樣具有放大作用。
場效應管不僅具有一般晶體三極管體積小、重量輕、壽命長等特點，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、易于制造、便于集成等優勢，故被廣泛應用于集成電路中。
根據其結構的不同，場效應管通常分為結型場效應管(JFET)和絕緣柵場效應管(IGFET)兩大類。本章首先介紹了兩種場效應管的結構、工作原理及其特性曲線；分析比較場效應管與晶體三極管的特點，闡述了其主要參數；最后介紹了場效應管的兩種基本放大電路——共源放大電路及共漏放大電路，我們應掌握其偏置電路、交流等效電路分析法及其性能指標的計算。
3.1 結型場效應管
3.1.1 結型場效應管基本結構和類型
結型場效應管可分為N溝道和P溝道兩種類型。它們的結構示意圖及相應的電路符號見圖3.1。圖3.1(a)是N溝道結型場效管的內部結構及電路符號。它在一塊N型半導體材料兩側，通過高濃度擴散制造兩個重摻雜的P+型區，形成兩個P+N結。把兩個P+區接在一起形成一個電極，稱為柵極（G）。中間的N型區是載流子的流通路徑，稱之為導電溝道，在它的兩端分別引出兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。所以這一器件從外部看也有三條電極引線，從內部看也是背靠背的兩個PN結。由于它的導電溝道為N型半導體，故取名N溝道結型FET。圖3.1(b)是P溝道JFET的結構及電路符號，它與N溝道JFET相類似，只是導電溝道變為P 型半導體。圖中柵極G的箭頭方向表示了GS之間PN結的正偏方向。
3.1.2 結型場效應管的基本工作原理
場效應管是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，其實質就是通過改變加在柵源之間的反偏電壓UGS來改變PN結耗盡層的寬度，從而改變了導電溝道的寬度，也就是改變了導電溝道的電阻，最終實現對輸出電流ID的控制。
N溝道JFET在正常工作時，柵源之間所加電壓 UGS＜0，即柵源之間的PN結處在反偏狀態。若忽略反向電流，則柵極電流為零。這時漏源之間電流ID的大小由溝道呈現的電阻大小決定。而溝道電阻的大小則由溝道的半導體材料的電阻及尺寸決定，由于柵源之間的P+N加的是反偏電壓，故P+N結的空間電荷區寬度將隨反偏電壓增大而增大，而且空間電荷 區主要向溝道一側延伸，這樣，改變UGS的大小時就達到了控制溝道寬度的目的，從而實現了對溝道電阻的控制作用。當漏源之間加有UDS＞0的電壓時，漏源電流ID就將隨UGS的變化而變化，進而達到UGS對ID的控制目的。
在圖3.2所示的情況下，我們可以看到當UDS＝0時，UGS變化對其導電溝道的影響。它表示了UGS對溝道寬度的控制作用。由圖可見，當UGS＝0時，導電溝道最寬，若此時加的漏源電壓UDS，則相應的ID最大。|UGS|越大，其導電溝道就越窄，相應的溝道電阻就越大，因而當漏源之間加有電壓UDS時，其漏極電流就越小。當|UGS|增加到一個數值為||的電壓時，由于P+N結的耗盡區向溝道一側擴展的結果，使溝道完全消失（即兩個P+N結的耗盡區完全合攏），如圖3.2(c)所示。這種狀態通稱為溝道的夾斷狀態，相應的稱為夾斷電壓。此時JFET的漏源之間即使加有電壓UDS，也不會有溝道電流產生，即ID＝0。
由此我們可以知道，由于柵源之間加的反偏電壓，故從柵
極看進去所呈現的阻抗很高；此外，依靠UGS產生的電場效
應通過對P+N結耗盡區寬度的控制可以有效地實現對漏極電
流的控制作用，且當UGS＜UP時，由于溝道夾斷，漏源之
間處在斷路狀態。
2.ＵDS對ID的影響
當UGS＝0時，改變UDS對導電溝道產生的影響，如圖3.3所示。當N溝道JFET正常工作時，UDS＞0，即漏源之間為正極性電壓。在UGS＝UDS＝0時，靠近漏端與源端的溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道寬度，如圖3.2(a)所示。當UGS＝0，UDS＞0時，則靠近漏端的P+N結反偏電壓要大于靠近源端P+N結的反偏電壓，因此耗盡區向溝道一側延伸的寬度就不同了，導致靠近漏端的溝道寬度窄而靠近源端的溝道寬度寬。這種延溝道長度方向上溝道寬度的不均勻性是由UDS引起的。其具體解釋如下：因為UDS＞0，漏源之間產生了一個較大電流，因為ID的方向是從上到下，所以沿溝道的方向從上至下有一上電壓降落。設源極（最下面）電位為參考點，則溝道上各點的電位不同，最下面D點的電位最高，最下面源極處電位最低。PN結的反向偏壓數值在最上面靠近漏極D點最大，所以耗盡區最寬，而最下面源極S處為最小，所以耗盡區最窄，因而形成的耗盡區的形狀是上寬下窄。隨著UDS增加這種溝道寬度不均勻性將越發明顯。
一旦當UDS＝－時，則靠近漏端就出現了溝道合攏的情況，如圖3.3(b)所示。這種狀態通常稱為預夾斷狀態。預夾斷與前面的夾斷是不一樣的，器件在預夾斷時，漏源之間有較大的電流流過。而夾斷狀態時，則ID＝0。當器件到達預夾斷狀態后，若繼續加大UDS，則將會出現耗盡區的合攏點（預夾斷點）沿溝道向源極方向移動的現象，如3.3(c)所示。這將導致導電溝道變短，從而使溝道電阻略有減小，但變化不大，這是由于夾斷區是高阻區，外加電壓UDS的增量主要降落在預夾斷區，因而對溝道長度的影響甚小。這種隨UDS變化溝道長度隨之略有變化的現象稱為溝道長度調制效應。可見，在溝道預夾斷之后，UDS變化對溝道電流ID的影響是很小的。場效應管的這種工作狀態稱為恒流區（飽和區或放大區）。作為放大元器件，場效應管就是工作在這一狀態。不過應當注意，當UDS過大時，由于P+N結的反偏過大，將產生反向擊穿現象，工作時必須避免這種情況發生。
3.1.3結型場效應管的特性曲線及數學描述
輸出特性
(4) 擊穿區
擊穿區為圖3.4(b)中最右側的部分，表示為升高到一定程度后，反向偏置的PN結被擊穿，將急劇增大，若電流過大，管子將被損壞。一般用U(BR)DS來表示它的漏源之間的擊穿電壓。使用器件時，必須保證U DS＜U(BR)DS，以防止器件進入擊穿區。一般U(BR)DS在20～50V之間，且隨UGS的增加而增加，這在使用時應予以注意。
對于P溝道JFET的原理和特性，它與N溝道JFET的主要差別是在于UGS及UDS所需的電壓極性，在P溝道JFET中，UGS＞0，而UDS＜0。器件的原理與特性同學們可以自行分析。
3.2 絕緣柵場效應管
3.2.1 絕緣柵場效應管基本結構和類型
絕緣柵場效應管也可有N溝道與P 溝道兩種類型。N溝道IGFET的基本結構如圖3.5所示，它用一塊雜質濃度較低的P型薄硅片做襯底，在其頂部形成兩個高摻雜的N+區，分別作為器件的源區和漏區，并相應地
引出兩個電極：源極S和漏極D。在源區與漏區之間的P型襯底平面利用氧化工藝生長一層極薄的二氧化硅絕緣層，在該絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極G。襯底引出一個歐姆接觸電極，稱為襯底電極，用符號B表示。這種器件的柵極與襯底表面的絕緣層是SiO2，故把它稱為金屬–氧化物–半導體場效應管。即MOSFET。
根據在柵源電壓UGS＝0時，漏源之間是否存在導電溝道的情況，MOSFET又可分為增強型和耗盡型兩種類型，分別用EMOSFET和DMOSFET表示。當UGS＝0時，D、S之間無導電溝道存在，就稱為增強型器件；當UGS＝0時，D、S之間有導電溝道存在，就稱為耗盡型器件。這樣，MOSFET共有4類：N溝道增強型MOSFET；N溝道耗盡型MOSFET；P溝道增強型MOSFET和P溝道耗盡型MOSFET。它們的符號分別由圖3.6所示。
3.2.2 N溝道增強型MOSFET
前面我們已經討論了N溝道IGFET的基本結構，如圖3.5所示，如果在制作MOSFET時，在二氧化硅絕緣層中不摻正離子，則就是N溝道增強型MOSFET，若摻入大量正離子，則為N溝道耗盡型MOSFET，下面我們來討論N溝道增強型MOSFET的工作原理及相應的特性。
1.N溝道增強型MOSFET的工作原理
當器件工作在恒流區也就是在放大狀態時，其工作原理與JFET不盡相同。此時N溝道增強型MOSFET的襯底電極B必須接在電路中的最低電位上或與源極相接。而UDS＞0，這樣使DS的兩個N+區與襯底之間始終處在反偏狀態。UGS必須加正極性的電壓，以保證形成漏源之間的導電溝道。下面具體討論。
(1) UGS對ID的控制
當UGS＝0時，N+源區與漏區之間被P型襯底所隔開，就好像兩個背靠背的PN結，故漏源無電流流過，這時，可認為管子處于夾斷狀態。當UGS＞0時，在柵極與襯底之間形成了由柵極指向襯底的電場。此時柵極與襯底之間極薄的SiO2絕緣層猶如一個平板電容器的介質，在電場的作用下，P型襯底中不少子自由電子被吸引到襯底表面處，而多子空穴被排斥離開襯底表面。隨著UGS的增加，柵極垂直于襯底表面的電場也增強，被吸引到襯底表面的自由電子也越多。一旦當UGS增加到某一電壓UT時，襯底表面的自由電子數量就大于空穴數量，于是在襯底的表面形成了與P型材料相反的N型區，它把源區和漏區相互連接起來，形成了源漏區之間的導電通路。這一N型層通常稱之為反型層，相應的開始形成反型層所需的柵源電壓UT稱為開啟電壓，其大小一般在2～10V之間。如果此時繼續加大UGS，則相應的反型層厚度就隨之加大，導電能力也就越強。說明N溝道增強型MOSFET溝道形成的示意圖如圖3.7所示。UGS對溝道的控制結果也就達到了對ID控制的目的，其具體情況可由轉移特性來表示，即Id=f(Ugs)|Ugs=常數.
2.N溝道增強型MOSFET的特性曲線及其數學描述
N溝道增強型MOSFET的轉移特性曲線與輸出特性曲線如圖所示。
3.2.3 其它類型的MOSFET
除N溝道增強MOSFET外，還有N溝道耗盡型MOSET和P溝道增強型和耗盡型三種
3.2.4 VMOS功率場效應管簡介
通常提高MOS管功率容量的辦法是：采用縱向（垂直）導電溝道和大規模集成電路技術，將許多小功率MOS管的管芯并聯起來擴大電路，減小導通電阻，構成功率MOS管。
以N溝道MOS管(NMOS)為例，介紹這種具有縱向結構的V型MOS管(VMOSFET)的結構特點。圖3.9是其結構剖面圖。它以N+型硅材料作襯底（形成漏極D），并在此基礎上依
次制作出低摻雜的N－外延層、P型區
（導電溝道）和高摻雜的N+區（形成源
極S）。穿過N+區和P區，刻蝕成一個V
型槽，并在表面生長一層SiO2,再覆蓋一
層金屬作為柵極G。 
當柵極加正電壓時，在氧化膜下的P型層兩邊表面上形成導電溝道。在漏源之間加正電壓(UGS＞0)，則電子從源極通過兩個溝道，達到N－外延層，再通過N+襯底流入漏極,可見電子沿導電溝道的運動是縱向的。
由于功率MOS管的漏區面積大，有利于散熱，且P層與N－外延層形成一反偏的PN結，它的耗盡層大多位于摻雜更輕的外延層中，因此漏極與源極之間的反向擊穿電壓較高，有利于制作成大功率器件。目前，有的功率MOS管耐壓可達1000V以上，最大連續電流200A。
V型MOS管有開關速度高、驅動電流小、過載能力強、易于并聯等特點，但MOS管與雙極型晶體管相比，其低頻損耗大，且易受靜電破壞，所以應用時需加保護電路。
3.3 場效應管的特點及主要參數
3.3.1 場效應管與晶體三極管的比較
場效應管與雙極型晶體管相比較，具有如下一些特點：
(1) BJT輸入端的PN結為正向偏置，因而它的輸入電流較大，相應的輸入電阻數小。而JFET輸入端的PN結為反向偏置，對IGMOSFET則有絕緣層隔離，故它們的輸入電阻很大。通常JFET的輸入電阻10^8，而IGFET的輸入電阻可大于10^11～10^12。
(2) FET是靠多子導電的器件，所以也稱為單極型器件，而BJT中，自由電子及空穴均參與工作，所以又稱為雙極型器件。由于多子濃度受溫度、光照、輻射等環境變化的影響小，所以FET特別適合于環境條件變化較大的電子設備中。
(3) 在低壓小電流工作時，FET可作為電壓控制的可變線性電阻和導通電阻很小的無觸點開關。而BJT則無此優異特性。
(4) FET是一種自隔離器件，制造工作簡單，特別適合于大規模與超大規模集成電路的設計與制造。從當前的發展趨勢看，在這些集成度很高的大規模與超大規模集成電路中，MOSFET已日益取代了BJT。
(5) 從器件的結構看，FET的漏極與源極是對稱的，可以互換使用，設計時也較BJT靈活。
特別需要指出的是在保存和使用MOSFET時要倍加留心，因為它的柵極與襯底表面之間的絕緣層很薄，當帶電體或人體接觸金屬柵時，由于會在柵極與襯底上產生感生電荷，而柵極與襯底之間的平板電容器容量又很小，所以常常這些感生電荷積累會在絕緣層上產生很高的電壓，極易導致絕緣層的擊穿而損壞管子。所以這種器件在保存時應將各電極引線短接，焊接應將電烙鐵外殼良好接地，必要時還可在管子的柵源之間接入背靠背的兩只穩壓管，以限制感生電荷在柵源之間產生的最大電壓，避免管子柵源之間因擊穿而損壞。
3.3.2 場效應管的主要參數
1.直流參數
3.4 場效應管基本放大電路
場效應管的三個電極與晶體三極管的三個電極存在著對應關系：即柵極與基極B、源極S與發射極E及漏極D與集電極C分別對應。同樣，由場效應管組成的放大電路也具有共源、共柵、共漏三種組態。其放大倍數的計算，也采用交流小信號等效電路分析方法。
3.4.1 場效應管的偏置電路
場效應管放大電路也應由偏置電路建立一個合適的靜態工作點。所不同的是，場效應管是電壓控制元件，它只需要合適的偏壓，而不需要輸入電流；另外，不同類型的場效應管對偏置電壓的極性有不同要求，在實際電路中，既要滿足電壓極性要求，又要盡量滿足單電源供電，因此場效應管放大電路一般都采用自給偏壓的方法。
1.直流偏置電路
(1) 自偏壓電路
圖3.10(a)是由N溝道結型場效應管構成放大電路的自偏壓電路。RG稱為柵極電阻，也稱為柵極漏電阻，簡稱柵漏電阻，可用來釋放柵極感應電荷，防止柵極被感應電壓擊穿，同時也為柵偏壓提供了直流通路，通常RG取值很大以提高輸入電阻
可見，該電路使＞0，＜0，提供了一個合適的靜態工作點，使場效應管能夠起正常的放大作用。這種電路的柵偏壓是靠場效應管的自由漏電流產生的，故稱為自偏壓電路。
(2) 分壓式自偏壓電路(混合偏置)
上述自偏壓電路雖然結構簡單，但RS不能過大，否則靜態工作點將下降，影響動態工作范圍，減小放大倍數，因此的調節范圍較小，并且該電路只能提供負的柵偏壓，適用于耗盡型場效應管，不能適用于增強型場效應管，因此在自偏壓電路上給柵極再加一定的分壓，則柵偏壓的變化范圍就可以增大。如圖3.10(b)所示是分壓式自偏壓電路，它是在自偏壓電路基礎上接入分壓電阻構成的，特點是能穩定靜態工作點，且適用于各類場效應管的放大電路。
2.靜態分析
3.4.2 場效應管的微變等效電路
3.4.3 場效應管的基本放大電路性能分析
場效應管也具有共源、共漏和共柵極三種組態的放大電路，其動態分析與三極管的動態分析方法相同，其步驟也是找出其交流通路，做微變等效替換，然后按電路分析方法計算。
1.共源電路
共源放大電路如圖3.13(a)所示，圖(b)為其交流等效電路。
根據R0的定義，可畫出求輸出電阻R0的等效電路，如圖(c)所示。
3. 三種組態放大電路的比較
除了上述的共源、共漏放大器外，還有一種共柵放大器，在此我們不再進行分析了，這里我們把場效應管三種組態放大電路的性能比較用表3.2來簡單描述。
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