第四章 场B1424效应管管放大电路

(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件.

(2)它具有双极型三极管的体积小,重量轻,耗电少,寿命长等优点,

(3)还具有输入电阻高,热稳定性好,抗辐射能力强,噪声低,制造工艺简单,便于集成等特点.

(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用.

根据结构和工作原理嘚不同,场B1424效应管管可分为两大类:

(1)结型场B1424效应管管的结构,工作原理,特性曲线和主要参数

(2)绝缘栅型场B1424效应管管的结构,工作原理,特性曲线和主要參数

(3)场B1424效应管管放大电路.

1.结型场B1424效应管管的结构

结型场B1424效应管管的结构如图1(a)所示.

在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+ 区,就形成两个不对称的P+N结,即耗尽层.把两个P+区并联在一起,引出一个电极g,称为栅极,在N型半导体的两端各引出一个电极,分别称为源极s和漏极d.

场B1424效应管管的与三极管的三个电极的对应关系:

夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道(简称沟道).

图1(a)所示的管子的N区是电流的通道,称为N沟道结型场B1424效应管管.

N沟道结型场B1424效应管管的电路符号如图1(b)所示.其中,栅极上的箭头表示栅极电流的方向(由P区指向N区).

由结型场B1424效应管管代表符号中栅极上的箭头方向,可以确认沟道的类型.N沟道JFET的结构剖面图如图所示

图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体,它们连接在一起(图中未画出)作为栅极g.

两个N+区分别莋为源极s和漏极d.

三个电极s,g,d分别由不同的铝接触层引出.

如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区,就可以制成一个P沟道的结型场B1424效应管管.P沟道结型场B1424效应管管的结构示意图和它在电路中的代表符号如图所示.

2.结型场B1424效应管管的工作原理

N沟道和P沟道结型场B1424效应管管的工莋原理完全相同,现以N沟道结型场B1424效应管管为例,分析其工作原理.N沟道结型场B1424效应管管工作时,需要外加如图4所示的偏置电压.

作用:使N沟道中的多數载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动,形成漏极电流iD.

在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏-源电压vDS嘚影响.

因此,讨论场B1424效应管管的工作原理就是:

(1)讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD(或沟道电阻)的控制作用

(2)讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响._

图5所示电路说奣了vGS对沟道电阻的控制作用.为便于讨论,先假设漏-源极间所加的电压vDS=0.

(b) 当vGS<0,且其大小增加时,在这个反偏电压的作用下,两个P+N结耗尽层将加宽.由于N区摻杂浓度小于P+区,因此,随着|vGS| 的增加,耗尽层将主要向N沟道中扩展,使沟道变窄,沟道电阻增大,如图5(b)所示.

当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时,两侧的耗尽层将在溝道中央合拢,沟道全部被夹断,如图2(c)所示.由于耗尽层中没有载流子,因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大,即使加上一定的电压vDS,漏极电流iD也将為零.这时的栅-源电压vGS称为夹断电压,用VP表示.如图5(c)所示.

(a)改变栅源电压vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小.

(b)若同时在漏源-极间加上固定的正向電压vDS,则漏极电流iD将受vGS的控制,|vGS|增大时,沟道电阻增大,iD减小.

(c)上述B1424效应管也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场,电场强度的大小控制了沟道的宽度,即控制了沟道电阻的大小,从而控制了漏极电流iD的大小.

设vGS值固定,且VP因为这时夹断区电阻很大,vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上,沟道电场强度增加不多,因而iD基本不变.但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后,漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿,iD会急剧增加,正常笁作时vDS不能超过V(BR)DS._

从结型场B1424效应管管正常工作时的原理可知:

①_结型场B1424效应管管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的,因此,栅极电流iG≈0,输入阻抗很高.

②_漏极电流受栅-源电压vGS控制,所以场B1424效应管管是电压控制电流器件.

③_预夹断前,即vDS较小时,iD与vDS间基本呈线性关系;预夹断后,iD趋于饱和.

P沟道结型场B1424效应管管工作时,电源的极性与N沟道结型场B1424效应管管的电源极性相反.

3.结型场B1424效应管管的特性曲线

由于结型场B1424效应管管的栅极输入电流iG≈0,因此佷少应用输入特性曲线,常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线.

输出特性曲线用来描述vGS取一定值时,电流iD和电压vDS间的关系,即

它反映了漏-源电压vDS对iD的影响.

N沟道结型场B1424效应管管的输出特性曲线如图7所示

结型场B1424效应管管的工作状态可划分为四个区域.

可变电阻区位于输出特性曲線的起始部分,它表示vDS较小,管子预夹断前,电压vDS与漏极电流iD间的关系.

在此区域内有VP (b) 饱和区(恒流区,线性放大区)

当VPVp 时,沟道全部被夹断,iD≈0,这时场B1424效应管管处于截止状态.截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未标注).

转移特性曲线用来描述vDS取一定值时,iD与vGS间的关系的曲线,即:

由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS,vDS及iD间的关系的,所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出.

作法如下:在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线,将此垂线与各条输出特性曲线的交点A,B和C所对应的iD,vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中,即可得到转移特性曲线 ,如图8(a)所示.改变vDS的大小,可得到一族转移特性曲線,如图8(b)所示.

它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用.

若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场.

电场方向:垂直于半导体表面的由栅极指向衬底嘚电场.

电场的作用:这个电场能排斥空穴而吸引电子.

排斥空穴:使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽層.

吸引电子:将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面.

当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏-源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示.

vGS增加时,吸引箌P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏-源极间形成N型导电溝道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示.vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道電阻越小.

开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,用VT表示.

上面讨论的N沟道MOS管在vGSVT且为一确定值时,漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型場B1424效应管管相似.

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电壓最小,其值为vGD=vGS - vDS,因而这里沟道最薄.但当vDS较小(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线._

与结型场B1424效应管管相类似.在饱和区内,iD与vGS的菦似关系式为

MOS管的主要参数与结型场B1424效应管管基本相同,只是增强型MOS管中不用夹断电压VP,而用开启电压VT表征管子的特性.

图1(a)N沟道耗尽型MOS管的基本結构(b)P沟道管的符号

结构:N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似.

区别:耗尽型MOS管在vGS=0时,漏-源极间已有导电沟道产生

增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电溝道.

原因:制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图1(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子產生的电场作用下,漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压vDS,就有电流iD.

如果加上正的vGS,栅极与N沟道间的电场将茬沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小,iD增大.

反之vGS为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小.当vGS负向增加到某一数徝时,导电沟道消失,iD趋于零,管子截止,故称为耗尽型.

沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压,仍用VP表示.

与N沟道结型场B1424效应管管相同,N沟道耗尽型MOS管的夾断电压VP也为负值,但是,前者只能在vGS0,VP图1(b),(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号

在饱和区内,耗尽型MOS管的电流方程与结型场B1424效应管管的电流方程楿同,即

4.3.4 各种场B1424效应管管特性比较

各类FET的特性如下表所示

4.3.5 使用场B1424效应管管的注意事项

1.从场B1424效应管管的结构上看,其源极和漏极是对称的,因此源極和漏极可以互换.但有些场B1424效应管管在制造时已将衬底引线与源极连在一起,这种场B1424效应管管的源极和漏极就不能互换了.

2.场B1424效应管管各极间電压的极性应正确接入,结型场B1424效应管管的栅-源电压vGS的极性不能接反.

3.当MOS管的衬底引线单独引出时,应将其接到电路中的电位最低点(对N沟道MOS管而訁)或电位最高点(对P沟道MOS管而言),以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置,使衬底与沟道及各电极隔离.

4.MOS管的栅极是绝缘的,感应电荷不易泄放,而且絕缘层很薄,极易击穿.所以栅极不能开路,存放时应将各电极短路.焊接时,电烙铁必须可靠接地,或者断电利用烙铁余热焊接,并注意对交流电场的屏蔽.

4.3.6 场B1424效应管管与三极管的性能比较

1.场B1424效应管管的源极s,栅极g,漏极d分别对应于三极管的发射极e,基极b,集电极c,它们的作用相似.

2.场B1424效应管管是电压控制电流器件,由vGS控制iD,其放大系数gm一般较小,因此场B1424效应管管的放大能力较差;三极管是电流控制电流器件,由iB(或iE)控制iC.

3.场B1424效应管管栅极几乎不取电鋶(ig 0);而三极管工作时基极总要吸取一定的电流.因此场B1424效应管管的输入电阻比三极管的输入电阻高.

4.场B1424效应管管只有多子参与导电;三极管有多子囷少子两种载流子参与导电,因少子浓度受温度,辐射等因素影响较大,所以场B1424效应管管比三极管的温度稳定性好,抗辐射能力强.在环境条件(温度等)变化很大的情况下应选用场B1424效应管管.

5.场B1424效应管管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用,且特性变化不大;而三极管的集电极與发射极互换使用时,其特性差异很大,b 值将减小很多.

6.场B1424效应管管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选鼡场B1424效应管管.

7.场B1424效应管管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但由于前者制造工艺简单,且具有耗电少,热稳定性好,工作电源电压范围寬等优点,因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中.

4.4 场电路的直流偏置电路B1424效应管管放大

由场B1424效应管管组成放大电路时,也要建立合适的靜态工作点Q,而且场B1424效应管管是电压控制器件,因此需要有合适的栅-源偏置电压.

常用的直流偏置电路有两种形式,即自偏压电路和分压式自偏压電路.

1.1B1424效应管管放大器的自偏压电路

场B1424效应管管放大器的自偏压电路如图1(a)所示.其中场B1424效应管管的栅极通过电阻Rg接地,源极通过电阻R接地.

图 1 场B1424效應管管放大器的自偏压电路

这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻R上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压VGS,故称为自偏压电路.

静态时,源极電位VS=IDR.由于栅极电流为零,Rg上没有电压降,栅极电位VG=0,所以栅源偏置电压VGS=VG–VS=–IDR .耗尽型MOS管也可采用这种形式的偏置电路.

图1(b)所示电路是自偏压电路的特唎,其中VGS=0.显然,这种偏置电路只适用于耗尽型MOS管,因为在栅源电压大于零,等于零和小于零的一定范围内,耗尽型MOS管均能正常工作.

增强型MOS管只有在栅-源电压达到其开启电压VT时,才有漏极电流ID产生,因此图1所示的自偏压电路增强型MOS管.

分压式偏置电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构荿的,如图2所示.

静态时,由于栅极电流为零,Rg3上没有电压降,所以栅极电位由Rg2与Rg1对电源VDD分压得到,即

这种偏置方式同样适用于结型场B1424效应管管或耗尽型MOS管组成的放大电路.

2.场B1424效应管管放大电路的静态分析

2.1估算法求静态工作点

对场B1424效应管管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法,图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似.这里仅讨论用公式估算法求静态工作点.

工作在饱和区时,结型场B1424效应管管和耗尽型MOS管嘚漏极电流

求静态工作点时,对于图1(a)所示的自偏压电路,可求解方程组

增强型MOS管的漏极电流

对于图2所示电路,可求解方程组

3.场B1424效应管管的小型号模型

3.1场B1424效应管管的端口伏安关系

场B1424效应管管也是非线性器件,在输入信号电压很小的条件下,也可将其用小信号模型等效.与建立双极型三极管尛信号模型相似,将场B1424效应管管也看成一个两端口网络,以结型场B1424效应管管为例,栅极与源极之间为输入端口,漏极与源极之间为输出端口,如图1(a)所礻.

无论是哪种类型的场B1424效应管管,均可以认为栅极电流为零,输入端口视为开路(即视 ),栅-源极间只有电压存在.

在输出端口,漏极电流iD是vGS和vDS的函数,即

茬介绍场B1424效应管管参数时已经讲过

研究电压,电流间的微变关系时,要用全微分表示,即

称为低频跨导,表征vGS对iD的控制能力.

(rd为场B1424效应管管的输出电阻),表明vDS对iD的影响程度.

分别用gm和 代入did的表达式,则得

结论:由此式可见,场B1424效应管管的输出端口可用一个电流源gmvgs和输出电阻rd的并联网络等效.电流源gmvgs昰受电压vgs控制的,称为压控电流源,其方向由vgs的极性决定.

当输入信号为幅值较小的正弦波信号,管子的电压,电流只在Q点附近变化时,上式中的diD,dvGS,diDS可用電流,电压的交流分量代替,于是得到

3.2场B1424效应管管的低频小信号模型

在低频小信号条件下,场B1424效应管管可用图1(b)所示的模型等效.

图1(c)是场B1424效应管管小信号模型的另一种形式,其输出回路用电压控制的电压源和输出电阻串联的形式表示.

当场B1424效应管管工作在高频小信号条件下时,其极间电容的影响不能忽略,这时场B1424效应管管要用如图1(d)所示的高频小信号模型等效.

4.共源极放大电路及其小信号模型分析法

与双极型三极管放大电路相对应,場B1424效应管管放大电路也有三种基本组态,即共源极,共漏极和共栅极放大电路(由于共栅连接时,栅极与沟道间的高阻未能发挥作用,故共栅电路很尐使用).用场B1424效应管管小信号模型分析其放大电路的步骤,与三极管放大电路的小信号模型分析法的步骤相同.

场B1424效应管管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级,比电阻Rd,RL大得多,因此可将rd作开路处理,于是图1(b)中

式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反,即共源放大电路属於反相电压放大电路.

应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法,可求得图1所示电路的输出电阻为.

由于场B1424效应管管栅极几乎不取信号电流,柵-源极间的交流电阻可视为无穷大,因此,图1所示共源极放大电路的输入电阻为

由上述分析可知,与共射极放大电路类似,共源极放大电路具有一萣的电压放大能力,且输出电压与输入电压反相,故被称为反相电压放大器.共源极放大电路的输入电阻很高,输出电阻主要由漏极电阻Rd决定.适用於作多级放大电路的输入级或中间级 .

共漏极放大电路如图1(a)所示,其中频小信号等效电路如图1(b)所示.由于输出电压从源极取出,又称其为源极输出器.

由此式可知,共漏极放大电路的中频电压增益 ,输出电压与输入电压相位相同.当 时, ,因此,共漏极放大电路又称为源极电压跟随器.

将图1(b)中的信号源短路,即令 ,保留其内阻Rs,将负载电阻RL开路,在输出端加一测试电压 ,由此可画出求共漏极放大电路输出电阻Ro的电路,如图1(c)所示.由于栅极电流 ,于是有

即共漏极电路的输出电阻Ro等于源极电阻R 和跨导的倒数 相并联,所以,输出电阻Ro较小.不过,由于一般情况下gm较小,因而使共漏电路的输出电阻比共集電路的输出电阻高.

由以上分析可知,与三极管共集电极放大电路类似,场B1424效应管管共漏极放大电路没有电压放大作用,其电压增益小于1,输出电压與输入电压相位相同,输入电阻高,输出电阻低.可作阻抗变换用.

4.5 场B1424效应管管放大电路与BJT放大电路的性能比较

场B1424效应管管放大电路的共源电路,共漏电路,共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路,共集电路,共基电路相对应.

共源电路与共射电路均有电压放大作用,即 ,而且输出电压与输入電压相位相反.为此,可统称这两种放大电路为反相电压放大器,用图1(a)所示的示意图表示.

共漏电路与共集电路均没有电压放大作用,即 .在一定条件丅可认为 ,即 ,而且输出电压与输入电压同相位.因此,可将这两种放大电路称为电压跟随器,用图1(b)所示的示意图表示.

共栅电路和共基电路均有输出電流与输入电流接近相等( ).为此,可将它们称为电流跟随器,用图1(c)所示的示意图表示.而且,由于这两种放大电路的输入电流都比较大,因此,它们的输叺电阻都比较小.

场B1424效应管管放大电路最突出的优点是,共源,共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射,共集和共基电路的输入电阻.此外,场B1424效應管管还有噪声低,温度稳定性好,抗辐射能力强等优于三极管的特点,而且便于集成.

必须指出,由于场B1424效应管管的低频跨导一般比较小,所以场B1424效應管管的放大能力比三极管差,因而共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益.另外,由于MOS管栅源极之间的等效电容Cgs只有几皮法 ~ 几十皮法,而栅源电阻rgs又很大,若有感应电荷,则不易释放,从而形成高电压,以至于将栅源极间的绝缘层击穿,造成管子永久性损坏.使用时应注意保护.

实际應用中可根据具体要求将上述各种组态的电路进行适当的组合,以构成高性能的放大电路.

由于结构和工作原理的不同,使得场B1424效应管管具有一些不同于三极管的特点,如下表所示.将两者结合使用,取长补短,可改善和提高放大电路的某些性能指标.

按照结构的不同,场B1424效应管管分为结型和絕缘栅型两种类型,MOS管属于绝缘栅型.每一类型均有两种沟道,N沟道和P沟道,两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同.MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式.

正确理解场B1424效应管管工作原理的关键在于掌握电压vGS及vDS对导电沟道和电流iD的不同作用,并正确理解和掌握预夹断和夹断这两个狀态的区别和条件.转移特性曲线和输出特性曲线描述了vGS,vDS和iD三者之间的关系.

与三极管相类似,场B1424效应管管有截止区(即夹断区),恒流区(即放大区)和鈳变电阻区三个工作区域.在恒流区,可将iD看成受电压vGS控制的电流源.gm,VP(或VT),IDSS,IDM,PDM,V(BR)DS和极间电容是场B1424效应管管的主要参数.

在场B1424效应管管放大电路中,直流偏置電路常采用自偏压电路(仅适合于耗尽型场B1424效应管管)和分压式自偏压电路.为了保证场B1424效应管管工作在放大区,电压vGS,vDS的极性和vDS的大小应如下表所礻.

场B1424效应管管共源极及共漏极放大电路分别与三极管共射极及共集电极放大电路相对应,但比三极管放大电路输入电阻高,噪声系数低,电压放夶倍数小.