場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體器件。它的輸入電阻可高達(dá)1015W，而且制造工藝簡(jiǎn)單，適用于制造大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。
場(chǎng)效應(yīng)管也稱做MOS管，按其結(jié)構(gòu)不同，分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩種類型。在本文只簡(jiǎn)單介紹后一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
場(chǎng)效應(yīng)管也稱做MOS管，按其結(jié)構(gòu)不同，分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩種類型。在本文只簡(jiǎn)單介紹后一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
一、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管
絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管按其結(jié)構(gòu)不同，分為N溝道和P溝道兩種。每種又有增強(qiáng)型和耗盡型兩類。下面簡(jiǎn)單介紹它們的工作原理。
1．增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管
圖6-38是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管示意圖。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，稱做漏極D和源極S如圖6-38(a)所示。然后在半導(dǎo)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(gè)鋁電極，稱做柵極G。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(hào)。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。
1．增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管
圖6-38是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管示意圖。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，稱做漏極D和源極S如圖6-38(a)所示。然后在半導(dǎo)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(gè)鋁電極，稱做柵極G。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(hào)。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。
圖6-38 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管
場(chǎng)效應(yīng)管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管在出廠前已聯(lián)結(jié)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(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓UGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓UDS，而且不論UDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)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(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當(dāng)UGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏-源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖6-39(b)所示。UGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)UGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)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(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用UT表示。
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(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當(dāng)UGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏-源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖6-39(b)所示。UGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)UGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)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(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用UT表示。
圖6-39 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成圖
由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS＜UT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)UGS≥UT時(shí)，才有溝道形成，此時(shí)在漏-源極間加上正向電壓UDS，才有漏極電流ID產(chǎn)生。而且UGS增大時(shí)，溝道變厚，溝道電阻減小，ID增大。這是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓控制的作用，因此，場(chǎng)效應(yīng)管通常也稱為壓控三極管。
N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6-40和圖6-41所示。
N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖6-40和圖6-41所示。
圖6-40 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線
圖6-41 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線
2．耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管
從結(jié)構(gòu)上看，N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管與N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相似，其區(qū)別僅在于當(dāng)柵-源極間電壓UGS= 0時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管中的漏-源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在UGS≥UT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。原因是制造N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖6-42(a)所示，因此即使UGS=0，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏-源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)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(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，ID增大。反之，UGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)UGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，ID趨于零，該管截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用UP表示，為負(fù)值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要特點(diǎn)。
從結(jié)構(gòu)上看，N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管與N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相似，其區(qū)別僅在于當(dāng)柵-源極間電壓UGS= 0時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管中的漏-源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在UGS≥UT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。原因是制造N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖6-42(a)所示，因此即使UGS=0，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏-源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)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(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，ID增大。反之，UGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)UGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，ID趨于零，該管截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用UP表示，為負(fù)值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要特點(diǎn)。
圖6-42 N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管
圖6-42(b)是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的代表符號(hào)。圖6-43是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線，圖6-44是N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。實(shí)驗(yàn)表明，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可近似用表示為
圖6-43 N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線
圖6-44 N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線
以上介紹了N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)增強(qiáng)型和耗盡型管，實(shí)際上P溝道也有增強(qiáng)型和耗盡型，其符號(hào)如圖6-45所示。
圖6-45 P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管
關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)管的各種參數(shù)及特性見《電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》附錄五。
絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管還有一個(gè)表示放大能力的參數(shù)，即跨導(dǎo)，用符號(hào)gm表示。跨導(dǎo)gm是當(dāng)漏—源電壓UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的增量ΔID對(duì)引起這一變化的柵—源電壓ΔUDS的比值，即
(6-23)
跨導(dǎo)是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵—源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)重要參數(shù)，它的單位是μA/V或mA/V。
二、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路
由于場(chǎng)效應(yīng)管具有高輸入電阻的特點(diǎn)，它適用于作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，尤其對(duì)高內(nèi)阻信號(hào)源，采用場(chǎng)效應(yīng)管才能有效地放大。
和雙極型晶體管比較，場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極、柵極對(duì)應(yīng)于它的發(fā)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(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，否則將造成輸出信號(hào)的失真。同理，場(chǎng)效應(yīng)管放大電路也必須設(shè)置合適的工作點(diǎn)。
場(chǎng)效應(yīng)管的共源極放大電路和普通晶體管的共發(fā)射極放大電路在電路結(jié)構(gòu)上類似。場(chǎng)效應(yīng)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(gè)自偏壓偏置電路，源極電流IS(等于ID)流經(jīng)源極電阻RS，在RS上產(chǎn)生電壓降RSIS，顯然UGS= RSIS= RSID，它是自給偏壓。
RS為源極電阻，靜態(tài)工作點(diǎn)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(gòu)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。
和雙極型晶體管比較，場(chǎng)效應(yīng)管的源極、漏極、柵極對(duì)應(yīng)于它的發(fā)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(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，否則將造成輸出信號(hào)的失真。同理，場(chǎng)效應(yīng)管放大電路也必須設(shè)置合適的工作點(diǎn)。
場(chǎng)效應(yīng)管的共源極放大電路和普通晶體管的共發(fā)射極放大電路在電路結(jié)構(gòu)上類似。場(chǎng)效應(yīng)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(gè)自偏壓偏置電路，源極電流IS(等于ID)流經(jīng)源極電阻RS，在RS上產(chǎn)生電壓降RSIS，顯然UGS= RSIS= RSID，它是自給偏壓。
RS為源極電阻，靜態(tài)工作點(diǎn)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(gòu)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(chǎng)效應(yīng)管的自偏壓電路
應(yīng)該指出，由N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的放大電路，工作時(shí)UGS為正，所以無(wú)法采用自給偏壓偏置電路。
2．分壓式偏置電路
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(wú)電流通過(guò))
(6-24)
式中，UG為柵極電位。對(duì)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為負(fù)值，所以RSID＞UG；對(duì)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為正值，所以RSID＜UG。
當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，我們對(duì)放大電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，主要是分析它的電壓放大倍數(shù)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(shè)輸入信號(hào)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?yàn)閳?chǎng)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(lián)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(diǎn)和柵極之間接入一個(gè)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(duì)電壓放大倍數(shù)并無(wú)影響；在靜態(tài)時(shí)RG中無(wú)電流通過(guò)，因此也不影響靜態(tài)工作點(diǎn)。
由于場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的輸出電阻rDS是并聯(lián)的，所以當(dāng)rDSRD時(shí)，放大電路的輸出電阻
ro≈RD (6-26)
這點(diǎn)和晶體管共發(fā)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(shù)為
(6-28)
式中的負(fù)號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。試求：(1)靜態(tài)值；(2)電壓放大倍數(shù)。
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(nèi)，耗盡型場(chǎng)效晶體管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示
柵-源電壓為(電阻RG中并無(wú)電流通過(guò))
(6-24)
式中，UG為柵極電位。對(duì)N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為負(fù)值，所以RSID＞UG；對(duì)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，UGS為正值，所以RSID＜UG。
當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，我們對(duì)放大電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，主要是分析它的電壓放大倍數(shù)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(shè)輸入信號(hào)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?yàn)閳?chǎng)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(lián)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(diǎn)和柵極之間接入一個(gè)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(duì)電壓放大倍數(shù)并無(wú)影響；在靜態(tài)時(shí)RG中無(wú)電流通過(guò)，因此也不影響靜態(tài)工作點(diǎn)。
由于場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的輸出電阻rDS是并聯(lián)的，所以當(dāng)rDSRD時(shí)，放大電路的輸出電阻
ro≈RD (6-26)
這點(diǎn)和晶體管共發(fā)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(shù)為
(6-28)
式中的負(fù)號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。試求：(1)靜態(tài)值；(2)電壓放大倍數(shù)。
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(nèi)，耗盡型場(chǎng)效晶體管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示
聯(lián)立上列兩式
解之得
并由此得
(2) 電壓放大倍數(shù)為
式中，。
解之得
并由此得
(2) 電壓放大倍數(shù)為
式中，。
粵公網(wǎng)安備 44030402000745號(hào) 