结型场效应晶体管
- 结型场效应晶体管 利用场效应原理工作的晶体管,简称FET。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小,以控制半导体导电层(沟道)中的多数载流子的密度或类型。这种晶体管的工作原理与双极型晶体管不同,它是由电压调制沟道中的电流,其工作电流是由半导体中的多数载流子输运,少数载流子实际上没有作用。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极晶体管。 1925~1926年美国的J.E.里林菲德提出静电场对导电固体中电流影响的基本概念。1933年O.海尔提出薄膜FET 器件的结构模型,在实验中观察到“场效应”现象,但当时由于工艺水平所限,没有做成实用器件。1952年以后,W.B.肖克莱提出结型场效应管(JFET)的基本理论。一年以后制成JFET。60年代初发展了金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)。1966年美国的C.米德提出了肖特基势垒栅场效应管(MESFET)。
与双极型晶体管相比,FET的特点是输入阻抗高,噪声小,极限频率高,功耗小,温度性能好,抗辐照能力强,多功能,制造工艺简单等。由于电荷存储效应小、反向恢复时间短,故开关速度快,工作频率高。器件特性基本呈线性或平方律,故互调和交调乘积远比双极型晶体管为小。FET已广泛用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。FET是MOS大规模集成电路和MESFET超高速集成电路的基础器件。 结型场效应晶体管工作原理:
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同,现以N沟道结型场效应管为例,分析其工作原理。
N沟道结型场效应管工作时,也需要外加如图1所示的偏置电压,即在栅-源极间加一负电压(vGS<0),使栅-源极间的P+N结反偏,栅极电流iG≈0,场效应管呈现很高的输入电阻(高达108?左右)。在漏-源极间加一正电压(vDS>0),使N沟道中的多数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。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏-源电压vDS的影响。因此,讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对漏极电
流iD(或沟道电阻)的控制作用,以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。
1.vGS对iD的控制作用
图2所示电路说明了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。当栅-源电压vGS=0时,沟道较宽,其电阻较小,如图2(a)所示。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区掺杂浓度小于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2(b)所示。当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时,两侧的耗尽层将在沟道中央合拢,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也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压,用VP表示。 (c) vGS≤VP
(a) vGS=0的情况
(b) VP<vGS<0的情况
由于结型场效应管的栅极输入电流iG>>0,因此很少应用输入特性,常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。
1.输出特性曲线
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。它反映了漏极电压vDS对iD的影响。图XX_01是一个N沟道结型场效应管的输出特性曲线。由此图可见,结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。
XX_01 (1) 可变电阻区图
可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分,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<vGS≤0,vDS<vGS-VP。当vGS一定,vDS较小时,vDS对沟道影响不大,沟道电阻基本不变,iD与vDS之间基本呈线性关系。若 增加,则沟道电阻增大,输出特性曲线斜率减小。所以,在vDS较小时,源、漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻,故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。
(2) 饱和区(也称恒流区)
当VP<vGS≤0且vDS≥vGS-VP时,N沟道结型场效应管进入饱和区,即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后,电压vDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化,iD已趋于饱和,但它受vGS的控制。|vGS|增加,沟道电阻增加,iD减小。场效应管作线性放大器件用时,就工作在饱和区。 应当指出,图XX_01中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线,是结型场效应管的预夹断点(vDS=vGS-VP)的轨迹。显然,预夹断点随vGS改变而变化,vGS愈负,预夹断时的vDS越小。
(3) 击穿区
管子预夹断后,若vDS继续增大,当栅漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时,iD将急剧上升,特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。
(4) 截止区(又称夹断区)
当栅源电压|vGS|≥ 时,沟道全部被夹断,iD≈0,这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图XX_01中未标注)。
2. 转移特性曲线
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
它反映了栅源电压vGS对iD的控制作用。
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XX_01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XX_02(a)所示。
图XX_0 改变vDS的大小,可得到一族转移特性曲线,如图XX_02(b)所示。由此图可以看出,当vDS≥|vp|(图中为vDS≥5V)后,不同vDS下的转移特性曲线几乎重合,这是因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为 (VP<vGS≤0) (5.1.1)
式中IDSS为vGS=0,vDS≥|vp|时的漏极电流,称为饱和漏极电流。
1. 夹断电压VP。当vDS为某一固定值(例如10V),使iD等于某一微小电流(例如50mA)时,栅源极间所加的电压即夹断电压。
2. 饱和漏极电流IDSS。在vGS=0的条件下,场效应管发生预夹断时的漏极电流。对结型场效管来说,IDSS也是管子所能输出的最大电流。
3. 直流输入电阻RGS。它是在漏源极间短路的条件下,栅源极间加一定电压时的栅源直流电阻。
4. 低频跨导gm。当vDS为常数时,漏极电流的微小变化量与栅源电压vGS的微小变化量之比为低频跨导,即 (5.1.2) gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s),有时也用ms或ms表示。需要指出的是,gm与管子的工作电流有关,iD越大,gm就越大。在放大电路中,场效应管工作在饱和区(恒流区),gm可由式和计算求得,即
5. 输出电阻rd。当vGS为常数时,漏源电压的微小变化量与漏极电流iD的微小变化量之比为输出电阻rd,即
rd反映了漏源电压vDS对iD的影响。在饱和区内,iD几乎不随vDS而变化,因此,rd数值很大,一般为几十千欧~几百千欧。
6. 极间电容Cgs、Cgd、Cgs。Cgs是栅源极间存在的电容,Cgd是栅漏极间存在的电容。它们的大小一般为1~3pF,而漏源极间的电容Cds约为0.1~1pF。在低频情况下,极间电容的影响可以忽略,但在高频应用时,极间电容的影响必须考虑。
7. 最大漏源电压V(BR)DS。指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。V(BR)DS的大小与vGS有关,对N沟道而言,vGS的负值越大,则V(BR)DS越小。
8. 最大栅源电压V(BR)GS。是指栅源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值,这时栅极电流由零而急剧上升。
9. 漏极最大耗散功率PDM。漏极耗散功率PD(=vDSiD)变为热能使管子的温度升高,为了限制管子的温度,就需要限制管子的耗散功率不能超过PDM。PDM的大小与环境温度有关。除了以上参数外,结型场效应管还有噪声系数,高频参数等其他参数。结型场效应管的噪声系数很小,可达1.5dB以下。
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