場效應管原理及放大電路

ID:104835 · 發表于 2016-2-4 04:27

本帖最后由 51黑科技于 2016-2-4 15:46 編輯

場效應管(MOSFET)是一種外形與普通晶體管相似，但控制特性不同的半導體器件。它的輸入電阻可高達1015W，而且制造工藝簡單，適用于制造大規模及超大規模集成電路。
場效應管也稱做MOS管，按其結構不同，分為結型場效應晶體管和絕緣柵場效應晶體管兩種類型。在本文只簡單介紹后一種場效應晶體管。
一、絕緣柵場效應晶體管

絕緣柵場效應晶體管按其結構不同，分為N溝道和P溝道兩種。每種又有增強型和耗盡型兩類。下面簡單介紹它們的工作原理。
1．增強型絕緣柵場效應管
圖6-38是N溝道增強型絕緣柵場效應管示意圖。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，稱做漏極D和源極S如圖6-38(a)所示。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝一個鋁電極，稱做柵極G。另外在襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。它的柵極與其他電極間是絕緣的。圖6-38(b)所示是它的符號。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。
　

圖6-38 N溝道增強型場效應管

場效應管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數場效應管在出廠前已聯結好)。從圖6-39(a)可以看出，漏極D和源極S之間被P型存底隔開，則漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓UGS=0時，即使加上漏-源電壓UDS，而且不論UDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流ID≈0。
若在柵-源極間加上正向電壓，即UGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當UGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導電溝道出現，如圖6-39(b)所示。UGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當UGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏-源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖6-39(c)所示。UGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用UT表示。

圖6-39 N溝道增強型場效應管的溝道形成圖

由上述分析可知，N溝道增強型場效應管在UGS＜UT時，不能形成導電溝道，場效應管處于截止狀態。只有當UGS≥UT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓UDS，才有漏極電流ID產生。而且UGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，ID增大。這是N溝道增強型場效應管的柵極電壓控制的作用，因此，場效應管通常也稱為壓控三極管。
N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線和轉移特性曲線如圖6-40和圖6-41所示。

圖6-40 N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線

圖6-41 N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線

2．耗盡型絕緣柵場效應管
從結構上看，N溝道耗盡型場效應管與N溝道增強型場效應管基本相似，其區別僅在于當柵-源極間電壓UGS= 0時，耗盡型場效應管中的漏-源極間已有導電溝道產生，而增強型MOS管要在UGS≥UT時才出現導電溝道。原因是制造N溝道耗盡型場效應管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型場效應管時摻入負離子)，如圖6-42(a)所示，因此即使UGS=0，在這些正離子產生的電場作用下，漏-源極間的P型襯底表面也能感應生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓UDS，就有電流ID。如果加上正的UGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，ID增大。反之，UGS為負時，溝道中感應的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當UGS負向增加到某一數值時，導電溝道消失，ID趨于零，該管截止，故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用UP表示，為負值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情況下均能實現對ID的控制，而且仍能保持柵-源極間有很大的絕緣電阻，使柵極電流下均能實現對ID的控制，而且仍能保持柵-源極間有很大的絕緣電阻，使柵極電流為零。這是耗盡型場效應管的一個重要特點。

圖6-42 N溝道耗盡型場效應管

圖6-42(b)是N溝道耗盡型場效應管的代表符號。圖6-43是N溝道耗盡型場效應管的輸出特性曲線，圖6-44是N溝道耗盡型場效應管的轉移特性曲線。實驗表明，耗盡型場效應管的轉移特性可近似用表示為

圖6-43 N溝道耗盡型場效應管的輸出特性曲線

圖6-44 N溝道耗盡型場效應管的轉移特性曲線

以上介紹了N溝道絕緣柵場效應增強型和耗盡型管，實際上P溝道也有增強型和耗盡型，其符號如圖6-45所示。

圖6-45 P溝道絕緣柵場效應晶體管

關于場效應管的各種參數及特性見《電路與電子技術實驗指導》附錄五。
絕緣柵場效應管還有一個表示放大能力的參數，即跨導，用符號gm表示。跨導gm是當漏—源電壓UDS為常數時，漏極電流的增量ΔID對引起這一變化的柵—源電壓ΔUDS的比值，即

(6-23)
跨導是衡量場效應晶體管柵—源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數，它的單位是μA/V或mA/V。
二、場效應管放大電路

由于場效應管具有高輸入電阻的特點，它適用于作為多級放大電路的輸入級，尤其對高內阻信號源，采用場效應管才能有效地放大。
和雙極型晶體管比較，場效應管的源極、漏極、柵極對應于它的發射極、集電極、基極，兩者的放大電路也類似。在雙極型晶體管放大電路中必須設置合適的靜態工作點，否則將造成輸出信號的失真。同理，場效應管放大電路也必須設置合適的工作點。
場效應管的共源極放大電路和普通晶體管的共發射極放大電路在電路結構上類似。場效應管中常用的直流偏置電路有兩種形式，即自偏壓偏置電路和分壓式偏置電路。
1．自偏壓偏置電路
圖6-46所示電路是一個自偏壓偏置電路，源極電流IS(等于ID)流經源極電阻RS，在RS上產生電壓降RSIS，顯然UGS= RSIS= RSID，它是自給偏壓。
RS為源極電阻，靜態工作點受它控制，其阻值約為幾千歐；
CS為源極電阻上的交流旁路電容，其容量約為幾十微法；
RG為柵極電阻，用以構成柵、源極間的直流通路，RG的值不能太小，否則影響放大電路的輸入電阻，其阻值約為200 kΩ～10 MΩ；
RD為漏極電阻，它使放大電路具有電壓放大功能，其阻值約為幾十千歐；
C1、C2分別為輸入電路和輸出電路的耦合電容，其容量約為0.01～0.047 μF。

圖6-46 耗盡型絕緣柵場效應管的自偏壓電路

應該指出，由N溝道增強型絕緣柵場效應晶體管組成的放大電路，工作時UGS為正，所以無法采用自給偏壓偏置電路。
2．分壓式偏置電路

圖6-47 分壓式偏置電路

圖6-47為分壓式偏置電路，RG1和RG2為分壓電阻。
柵-源電壓為(電阻RG中并無電流通過)

(6-24)
式中，UG為柵極電位。對N溝道耗盡型場效應管，UGS為負值，所以RSID＞UG；對N溝道增強型場效應管，UGS為正值，所以RSID＜UG。
當有信號輸入時，我們對放大電路進行動態分析，主要是分析它的電壓放大倍數及輸入電阻與輸出電阻。圖6-48是圖6-47所示分壓式偏置放大電路的交流通路，設輸入信號為正弦量。
在圖6-47的分壓式偏置電路中，假如RG= 0，則放大電路的輸入電阻為

因為場效晶體管的輸入電阻rGS是很高的，比RG1或RG2都高得多，三者并聯后可將rGS略去。顯然，由于RG1和RG2的接入使放大電路的輸入電阻降低了。因此，通常在分壓點和柵極之間接入一個阻值較高的電阻RG，這樣就大大提高了放大電路的輸入電阻。

(6-25)
RG的接入對電壓放大倍數并無影響；在靜態時RG中無電流通過，因此也不影響靜態工作點。
由于場效應晶體管的輸出特性具有恒流特性(從輸出特性曲線可見)

故其輸出電阻是很高的。在共源極放大電路中，漏極電阻RD和場效應管的輸出電阻rDS是并聯的，所以當rDS

RD時，放大電路的輸出電阻
ro≈RD (6-26)
這點和晶體管共發射極放大電路是類似的。
輸出電壓為

(6-27)
式中

，由式(6-23)得出

。
電壓放大倍數為

(6-28)
式中的負號表示輸出電壓和輸入電壓反相。
【例6-7】在圖6-47所示的放大電路中，已知UDD=20 V，RD=10 kΩ，RS=10 kΩ，RG1=100 kΩ，RG2=51 kΩ，RG=1 MΩ，輸出電阻為RL=10 kΩ。場效應管的參數為IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。試求：(1)靜態值；(2)電壓放大倍數。
解：(1) 由電路圖可知

并可列出
UGS = UG－RSID = 4－10×103ID
在UGP≤UGS≤0范圍內，耗盡型場效晶體管的轉移特性可近似用下式表示

聯立上列兩式

解之得

并由此得

(2) 電壓放大倍數為

式中，

。

ID:412680 · 發表于 2019-3-1 17:06

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