场效应管原理及拓宽电路

2017-03-29 15:45分类：电子元器件阅读：

场效应管(MOSFET)是一种外形与通常晶体管相似，但操控特性纷歧样的半导体器材。它的输入电阻可高达十15W，并且制作技能简略，适用于制作大方案及超大方案集成电路。
场效应管也称做MOS管，按其构造纷歧样，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在这篇文章只简略介绍后一种场效应晶体管。

一、绝缘栅场效应晶体管

绝缘栅场效应晶体管按其构造纷歧样，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽型两类。下面简略介绍它们的作业原理。
1．增强型绝缘栅场效应管
图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管暗示图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、涣散技能制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称做漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体外表掩盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称做栅极G。别的在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。它的栅极与别的电极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向标明由P(衬底)指向N(沟道)。
　

图6-38 N沟道增强型场效应管

场效应管的源极和衬底通常是接在一同的(大大都场效应管在出厂前已联合好)。从图6-39(a)能够看出，漏极D和源极S之间被P型存底离隔，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0时，即便加上漏-源电压UDS，并且不管UDS的极性怎样，总有一个PN结处于反偏状况，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便发作一个笔直于半导体外表的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排挤空穴而招引电子，因而使栅极邻近的P型衬底中的空穴被排挤，剩余不能移动的受主离子(负离子)，构成耗尽层，一同P衬底中的电子(少子)被招引到衬底外表。当UGS数值较小，招引电子的才调不强时，漏-源极之间仍无导电沟道呈现，如图6-39(b)所示。UGS添加时，招引到P衬底外表层的电子就增多，当UGS抵达某一数值时，这些电子在栅极邻近的P衬底外表便构成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间构成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，效果于半导体外表的电场就越强，招引到P衬底外表的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。咱们把开端构成沟道时的栅-源极电压称为翻开电压，用UT标明。

图6-39 N沟道增强型场效应管的沟道构成图

由上述剖析可知，N沟道增强型场效应管在UGS＜UT时，不能构成导电沟道，场效应管处于截止状况。只需当UGS≥UT时，才有沟道构成，此刻在漏-源极间加上正向电压UDS，才有漏极电流ID发作。并且UGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，ID增大。这是N沟道增强型场效应管的栅极电压操控的效果，因而，场效应管通常也称为压控三极管。
N沟道增强型场效应管的输出特性曲线和搬运特性曲线如图6-40和图6-41所示。

图6-40 N沟道增强型场效应管的输出特性曲线

图6-41 N沟道增强型场效应管的搬运特性曲线

2．耗尽型绝缘栅场效应管
从构造上看，N沟道耗尽型场效应管与N沟道增强型场效应管根柢相似，其区别仅在于当栅-源极间电压UGS= 0时，耗尽型场效应管中的漏-源极间已有导电沟道发作，而增强型MOS管要在UGS≥UT时才呈现导电沟道。要素是制作N沟道耗尽型场效应管时，在SiO2绝缘层中掺入了许多的碱金属正离子Na+或K+(制作P沟道耗尽型场效应管时掺入负离子)，如图6-42(a)所示，因而即便UGS=0，在这些正离子发作的电场效果下，漏-源极间的P型衬底外表也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只需加上正向电压UDS，就有电流ID。假定加上正的UGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中招引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，ID增大。反之，UGS为负时，沟道中感应的电子削减，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小。当UGS负向添加到某一数值时，导电沟道不见，ID趋于零，该管截止，故称为耗尽型。沟道不见时的栅-源电压称为夹断电压，用UP标明，为负值。在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的状况下均能结束对ID的操控，并且仍能坚持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流下均能结束对ID的操控，并且仍能坚持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型场效应管的一个首要特征。

图6-42 N沟道耗尽型场效应管

图6-42(b)是N沟道耗尽型场效应管的代表符号。图6-43是N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线，图6-44是N沟道耗尽型场效应管的搬运特性曲线。试验标明，耗尽型场效应管的搬运特性可近似用标明为

图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线

图6-44 N沟道耗尽型场效应管的搬运特性曲线

以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实习上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。

图6-45 P沟道绝缘栅场效应晶体管

关于场效应管的各种参数及特性见《电路与电子技能试验教训》附录五。
绝缘栅场效应管还有一个标明拓宽才调的参数，即跨导，用符号gm标明。跨导gm是当漏—源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ΔID对致使这一改动的栅—源电压ΔUDS的比值，即
(6-23)
跨导是衡量场效应晶体管栅—源电压对漏极电流操控才调的一个首要参数，它的单位是μA/V或mA/V。
二、场效应管拓宽电路

由于场效应管具有高输入电阻的特征，它适用于作为多级拓宽电路的输入级，分外对高内阻信号源，选用场效应管才调有用地拓宽。
和双极型晶体管比照，场效应管的源极、漏极、栅极对应于它的发射极、集电极、基极，两者的拓宽电路也相似。在双极型晶体管拓宽电路中有必要设置适宜的静态作业点，不然将构成输出信号的失真。同理，场效应管拓宽电路也有必要设置适宜的作业点。
场效应管的共源极拓宽电路和通常晶体管的共发射极拓宽电路在电路构造上相似。场效应管中常用的直流偏置电路有两种办法，即自偏压偏置电路和分压式偏置电路。
1．自偏压偏置电路
图6-46所示电路是一个自偏压偏置电路，源极电流IS(等于ID)流经源极电阻RS，在RS上发作电压降RSIS，显着UGS= RSIS= RSID，它是自给偏压。
RS为源极电阻，静态作业点受它操控，其阻值约为几千欧；
CS为源极电阻上的沟通旁路电容，其容量约为几十微法；
RG为栅极电阻，用以构成栅、源极间的直流转路，RG的值不能太小，不然影响拓宽电路的输入电阻，其阻值约为200 kΩ～十 MΩ；
RD为漏极电阻，它使拓宽电路具有电压拓宽功用，其阻值约为几十千欧；
C1、C2别离为输入电路和输出电路的耦合电容，其容量约为0.01～0.047 μF。

图6-46 耗尽型绝缘栅场效应管的自偏压电路

应当指出，由N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管构成的拓宽电路，作业时UGS为正，所以无法选用自给偏压偏置电路。
2．分压式偏置电路

图6-47 分压式偏置电路

图6-47为分压式偏置电路，RG1和RG2为分压电阻。
栅-源电压为(电阻RG中并无电流转过)
(6-24)
式中，UG为栅极电位。对N沟道耗尽型场效应管，UGS为负值，所以RSID＞UG；对N沟道增强型场效应管，UGS为正值，所以RSID＜UG。
当有信号输入时，咱们对拓宽电路进做法态剖析，首要是剖析它的电压拓宽倍数及输入电阻与输出电阻。图6-48是图6-47所示分压式偏置拓宽电路的沟通转路，设输入信号为正弦量。
在图6-47的分压式偏置电路中，假定RG= 0，则拓宽电路的输入电阻为

由于场效晶体管的输入电阻rGS是很高的，比RG1或RG2都高得多，三者并联后可将rGS省掉。显着，由于RG1和RG2的接入使拓宽电路的输入电阻降低了。因而，通常在分压点和栅极之直接入一个阻值较高的电阻RG，这么就大大跋涉了拓宽电路的输入电阻。
(6-25)
RG的接入对电压拓宽倍数并无影响；在静态时RG中无电流转过，因而也不影响静态作业点。
由于场效应晶体管的输出特性具有恒流特性(从输出特性曲线可见)

故其输出电阻是很高的。在共源极拓宽电路中，漏极电阻RD和场效应管的输出电阻rDS是并联的，所以当rDSRD时，拓宽电路的输出电阻
ro≈RD (6-26)
这点和晶体管共发射极拓宽电路是相似的。
输出电压为
(6-27)
式中，由式(6-23)得出。
电压拓宽倍数为
(6-28)
式中的负号标明输出电压和输入电压反相。
【例6-7】在图6-47所示的拓宽电路中，已知UDD=20 V，RD=十 kΩ，RS=十 kΩ，RG1=十0 kΩ，RG2=51 kΩ，RG=1 MΩ，输出电阻为RL=十 kΩ。场效应管的参数为IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。试求：(1)静态值；(2)电压拓宽倍数。
解：(1) 由电路图可知

并可列出
UGS = UG－RSID = 4－十×十3ID
在UGP≤UGS≤0方案内，耗尽型场效晶体管的搬运特性可近似用下式标明