模拟电子技术之场效应三极管及其放大电路

1. 金属- 氧化物- 半导体（MOS ）场效应三极管
2. MOSFET 基本共源极放大电路
3. 图解分析法
4. 小信号模型分析法
5. 共漏极和共栅极放大电路

1. 金属- 氧化物- 半导体（MOS ）场效应三极管

场效应管是一种具有放大作用的元件,它是构成放大电路的基本器件,并且是一种三段器件,所以有时候也称为场效应三极管

在一块掺杂浓度较低的P型半导体基片上的两个区域掺入高浓度的五价杂质元素,形成两个杂质浓度很高的N型区域,然后再在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅绝缘层,再在中间二氧化硅以及两个N型区上面分别安置三个铝电极,它们称为栅极、源极和漏极,常用字母g、s和d表示:

栅极和其他源极包括衬底都是绝缘的,所以常称栅极为绝缘栅极

漏极与源极之间需要通过栅极绝缘层之下称为沟道的区域导电,这个沟道的几何尺寸(长度L和宽度W)都是影响场效应管导电特性的重要参数,它们一般在微米数量级,并且宽度尺寸通常大于长度尺寸

这种方式构成的场效应管称为金属-氧化物-半导体（MOS ）场效应三极管

为了便于分析,常常采用场效应管的纵向剖面图:

实际上,衬底也会引出一个电极:

两个N型区与P型衬底之间一定会形成两个PN结,在栅极无任何电压时,无论漏极和源极之间加什么极性的电压,两个PN结总有一个是处于反向偏置的,漏、源极之间都是无法导通的

这样的场效应管称为增强型场效应管

符号除了表示场效应管之外,还必须描述两个信息:

• 一个是增强型还是耗尽。漏极与源极之间的断线表示栅极未加适当电压时,漏极与源极之间的导通沟道是断开的
• 第二个是N沟道还是P沟道。箭头方向与PN结正向导通方向一致,就是由P指向N,这个箭头是由衬底指向沟道,表示这是N沟道场效应管

MOSFET管工作原理

N 沟道增强型MOSFET

栅源电压对沟道的控制作用

如何让漏极和源极之间出现导电沟道是要解决的第一个问题

实际上,沟道的产生,取决于栅极的电压。最常用的一种工作方式就是衬底和源极并接在一起。另外,为了考察栅极电压单独作用的情况,这里也先把漏极和源极短接在一起,然后在栅极和源极之间加一个正电压$V_{GG}$,也就是栅源电压$V_{GS}$等于$V_{GG}$:

显然,这个电压也是加在栅极和衬底之间的电压。由于绝缘层的存在,这个电压会在珊极和衬底之间形成一个电场,当$V_{GS}$电压还比较小的时候,不会对器件产生比较明显的影响,漏极与源极之间仍然没有导电沟道。逐渐增大栅源电压,电场也逐渐增强,当$V_{GS}$电压增大到一定程度时,在电场力作用下,半导体中会出现明显的变化:

P型区靠近绝缘层下方的多数载流子空穴将被排斥,远离绝缘层;而少数载流子自由电子被吸引到绝缘层下,同时两个N型区的多数载流子也被吸引到栅极区域绝缘层下,这样,在电子层下方,由于缺少载流子而形成耗尽区:

而紧靠绝缘层下方累积出了电子层,因为电子是带负电荷的载流子,所以是N型层:

相对于P型衬底,它也被称为反型层,这个反型层实际上就是漏极和源极之间的导通通道,他将漏极和源极之间联通了,导电沟道是在电场作用下形成的,所以也称为感生沟道:

场效应管也因此而得名,电场的强弱受栅极电压$V_{GS}$控制,只有在栅源电压超过某个固定电压时,才会感生出导电沟道,这个电压称为N沟道增强型MOS管的开启电压用$V_{NT}$表示,它与MOS管的制造工艺有关

当栅源电压增大时,电场增强,导电沟道变厚,沟道的等效电阻减小;反之电场减弱,沟道变厚,等效电阻增大。这种关系反映了栅源电压对沟道的控制作用。

漏源电压对沟道的控制作用

假设栅源电压已经使漏源之间产生了导电沟道,也就是已经有了$V_{GS}$大于$V_{TN}$在漏极和源极之间加入电压$V_{DD}$,就是漏源电压$V_{DS}$等于$V_{DD}$:

当$V_{DS}$从零逐渐开始增大时,便开始有回路电流$I_D$流过导电沟道。由于沟道存在电阻,回路电流在沟道长度方向上的不同位置产生的压降不同,所以沟道从源极到漏极有一定的电位梯度,也就是从源极到漏极,电位逐渐增高,但是栅极电位沿沟道长度方向是相同的,导致栅极与沟道之间的压差出现变化,靠近塌极附近的压差减小,相应的电场强度减弱,沟道变薄:

而靠近源极附近的压差不变,沟道厚度也不变,这时沟道呈楔形分布

当$V_{DS}$继续增大时,靠近漏极的电位继续升高,漏极附近栅极与沟道之间压差也继续减小,这里的沟道变得更薄,沟道倾斜程度加大:

在这个变化过程中,虽然沟道电阻略有增加,但总体上,漏极电流还是随漏源电压的增动而快速增大,它们的关系表现为:

漏极电流$I_D$随漏源电压$V_{DS}$快速增大,由于沟道电阻略有增加,所以这个关系并不完全是一条直线,而是会略微向水平方向弯曲

当$V_{DS}$电压增加到使栅漏电压$V_{GD}$减小到等于开启电压$V_{TN}$时,紧靠漏极附近的电场,就会减弱到使这里的反型层消失,沟道出现预夹断:

这时曲线开始转向水平方向:

如果继续增大$V_{DS}$,沟道的电位梯度会继续增大,靠近漏极附近的电场也会继续减小夹断点就会向左移动,夹断区域会向源极方向延伸,沟道电阻也随之明显增大:

因为漏极电流$I_D$等于漏源电压除以沟道电阻,而漏源电压增大时引起沟道电阻增大,所以漏极电流基本不变,这是也称漏极电流趋于饱和:

给这张图做上标注:

给定一个$V_{GS}$ ，就有一条不同的$i_D–v_{DS}$ 曲线:

综上所述:

N 沟道耗尽型MOSFET

与增强型的符号相比,它的符号仅在于表示沟道的竖线是连通的:

由于电导沟道已经存在,所以当在栅源之间加正向电压时,栅极和衬底之间形成的电场与绝缘层中正离子的电场方向一致,电场增强,沟道将变得更厚,而在栅源之间加负电压时,所形成的电场与绝缘层中正离子的电场方向相反,电场减弱,沟道变得更薄。由此可见,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流

MOSFET的特性曲线及特性方程

输出特性及大信号特性方程

1. 截止区
   当$V_{GS}＜V_{TN}$时，导电沟道尚未形成，$i_D＝0$，为截止工作状态。

2. 可变电阻区
   当$V_{GS}>V_{TN}$且$V_{DS}<V_{GS}-V_{TN}$时,这一区域可以用特征方程
   $i_D=K_n[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-V_{DS}^2]$表示
   
   由于$v_{DS}$ 较小，可近似为:
   

3. 饱和区(恒流区或放大区)
   

非理想输出特性

在饱和区时,由于漏源电压增加时,沟道夹断区会延伸,有效的沟道长度会变短,这时漏极电流会略有增加,也就是说,饱和区的输出特性曲线会向上倾斜:

这种现象称为沟道长度调制效应

将饱和区的特性曲线向左侧做延长线,他们会汇聚到横轴上的一个点$V_A$,称为厄利电压。为了反映这一影响,需要在饱和区的特性方程中乘以一项:

2. MOSFET 基本共源极放大电路

我们已经知道,MOS管工作在饱和区时,可以利用栅源电压对漏极电流的控制关系来实现信号的放大,那么接下来的问题就是如何方便地使MOS管工作在饱和区,信号又是如何输入,如何取出的,它是怎样被放大的。

以N沟道增强型MOS管为例:


信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为共源电路;也可看作信号由栅极输入、漏极输出。

放大电路的静态和动态

静态： 输入信号为零（$v_i=0$ 或 或 $i_i=0$）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态

动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态

仅有直流电流流经的通路为直流通路:

仅有交流电流流经的通路为交流通路:

直流电压源对交流相当于短路

3. 图解分析法

采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性曲线:


正常工作情况:

静态工作点对波形失真的影响:

4. 小信号模型分析法

5. 共漏极和共栅极放大电路

较好的方法并不是试图寻找接地的电极，而是寻找信号的输入电极和输出电极。

即观察输入信号加在哪个电极，输出信号从哪个电极取出，剩下的那个电极便是共同电极。如:

• 共源极放大电路，信号由栅极输入，漏极输出；
• 共漏极放大电路，信号由栅极输入，源极输出；
• 共栅极放大电路，信号由源极输入，漏极输出。

栅极始终不能做输出电极，漏极不能做输入极

共漏极（源极跟随器）放大电路

共栅极放大电路

总结与比较:

各种FET的特性以及使用注意事项: