FET场效应管

本章总结

关键术语

共漏(CD)：漏极接地的一种FET放大器组态。

共栅(CG)：栅极接地的一种 FET放大器组态。

共源(CS)：源极接地的一种FET放大器组态。

恒流区：FET的漏极特性中，漏极电流与漏源电压无关的区域。

耗尽型：一种FET，在零栅极电压时导通，并通过栅极电压来关闭。所有JFET和部分MOSFET为耗尽型器件。

漏极：场效应管三个电极之一；它是沟道的一端。

增强型：沟道由所加的栅极电压产生(或增强)的一种MOSFET。

场效应管(FET)：一种电压控制器件，栅极的电压控制流经器件的电流。

栅极：场效应管三个电极之一。加到栅极的电压控制漏极电流。

结型场效应管(JFET)：一种场效应管。它的pn结工作在反偏状态，以控制沟道中的电流。它是一种耗尽型器件。 MOSFET：金属-氧化物半导体场效应管；FET的两种主要类型之一。它利用SiO2。层使栅极与沟道绝缘。MOSFET可工作在耗尽模式或增强模式。

可变电阻区：FET漏极特性中，V_DS较小时，沟道电阻可由栅极电压改变的区域;在此区域中；FET工作状态类似电压控制的电阻。

夹断电压：当栅源电压为0时，使得FET漏极电流变为常量的漏源电压值。

源极：FET三个电极之一；沟道的一端。

跨导：FET的增益；利用漏极电流的小变化除以相应的栅源电压变化计算得到。单位为西门子或姆欧。

重要公式

4.1 FET的结构

已经知道双极结型晶体管(BJT)是一种电流控制器件，即基极电流控制集电极电流。

场效应管(FET)是电压控制器件，其中栅极电压来控制流经器件的电流。

场效应管(FET)是以与BJT的原理工作完全不同的一类半导体。在FET中，在称为**源极(Source)和漏极(Drain)**的两个电极之间由一条窄导电沟道相连。

该沟道要么由n型材料，要么由p型材料制成。正如名字中的“场效应”指出的那样，沟道的导通由一个电场控制，该电场由施加在第三个电极即**栅极(Gate)**上的电压形成。

在结型场效应管(或JFET)中，栅极和沟道之间形成了一个pn结。另一种场效应管称为金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)，它利用绝缘的栅极来控制沟道的导通(绝缘栅和MOSFET指同一种器件)。

本节问题

1.FET的三个电极分别称作什么?

漏极、源极和栅极

2.绝缘栅FET的另一个名字是什么?

MOSFET

3.为什么集成电路中主要采用MOSFET这一类晶体管?

它们比BT占用的面积更小，更容易在IC中制造，而且产生的电路更简单。

4.BJT和FET的主要区别有哪些?

BT由电流控制，FET由电压控制。BT电路具有更高的增益，但输入电阻较小。

4.2 JFET特性

4.2.1 JFET 工作原理

图4-2a给出了n沟道结型场效应管(JFET)的基本结构。电线连接到n沟道的两端，在图4-2中漏极位于上端，源极位于下端。

沟道是一个导体：对n沟道JFET而言，电子是载流子；对p沟道JFET而言，空穴是载流子。

4.2.2 JFET符号

可以看到漏极上的箭头方向，对n沟道而言是“指向里”，对p沟道而言是“指向外”。

4.2.3 夹断电压和截止电压

当V_GS=0V时，I_D变为几乎恒定(图4-5b中曲线上的B点)时，对应的V_DS的值称为夹断电压

在栅极与源极之间连接上一个偏置电压V_GG，如图4-6a所示。通过调整V_GG，使V_GS往负值增大，可以得到如图4-6b所示的一族漏极特性曲线。

注意，随着V_GS变为更大的负值，I_D减小，因为沟道变窄。也可以看到对于每一组V_GS，JFET在小于Vp的V_DS值下达到夹断状态

使得I_D的值接近于0的V_GS称为截止电压，记为V_GS（off）。JFET必须工作在V_GS=0V和V_GS（off）之间。

V_GS（off）和V_P始终大小相等，但符号相反。数据手册通常会给出值

4.2.4 跨导曲线

传输曲线：描述电路的一种有用方式是给出输出和输入之间的关系

4.2.5 JFET输入电阻和电容

已经知道，pn结在反向偏置时具有很高的电阻，而JFET工作时栅源结反向偏置，因此栅极的输入电阻很大。

这是JFET与BJT相比的一个主要优势，因为后者的发射结正向偏置。

本节问题

1. JFET的传输曲线又称为什么?

跨导曲线

2. p沟道JFET的Vcs是正值还是负值?

正

3. JFET的漏极电流是如何控制的?

通过栅源电压

4. 某JFET在夹断点的漏源电压为7V。如果栅源电压为0，则Vp为多少?

7V

5. 某n沟道JFET的Vcs往负值增大，则漏极电流增大还是减小?

减小

6. 在一个p沟道JFET中有Vp=-3V，为使器件截止，则V_GS值必须为多少?

+3V

4.3 JFET偏置

将会看到如何对JFET进行直流偏置。

偏置的目的是选择合适的栅源电压来获得期望的漏源电流。由于栅极反向偏置，因此BJT的偏置方式并不适用于JFET。

4.3.1 JFET的自给偏置

4.3.3 分压式偏置

虽然自给偏置方法在多数情况下令人满意，但可以看出，工作点取决于跨导曲线。

通过在栅极电路上增加分压电路，使得栅极电压为正，可以使偏置更稳定。由于JFET一定要在栅源间是反向偏置的条件下才能工作，因此要使用一个比一般自给偏置中更大的源极电阻。

4.3.4 电流源偏置

这种偏置形式在集成电路中广泛使用，但需要一个额外的晶体管。一个晶体管作为电流源来使Ip保持固定不变，它是一种非常稳定的偏置形式。

4.4 MOSFET特性

金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)是另一种重要的场效应管。

MOSFET和JFET的区别在于它没有pn结结构，而是MOSFET的栅极与沟道之间用非常薄的二氧化硅(SiO2层来相互绝缘。

MOSFET的两种基本类型为：耗尽型(D)和增强型(E)。

4.4.1 D-MOSFET

D-MOSFET可以工作在两种模式：耗尽模式或增强模式，因此有时又称为耗尽-增强MOSFET。

由于栅极与沟道绝缘，因此栅极电压可正可负。对n沟道D-MOSFET而言，当栅源电压为负时，器件工作在耗尽模式；当栅源电压为正时，器件工作在增强模式。通常这些器件工作在耗尽模式。

D-MOSFET的电路符号：指向衬底的箭头表明是n沟道器件，从衬底指出的箭头表明是p沟道器件。

4.4.2 E-MOSFET

这种类型的MOSFET只能工作在增强模式，没有耗尽模式。和D-MOSFET的结构不同，它没有物理沟道。在图4-26a中可以看出，衬底完全延伸到SiO2层。

4.4.3 双栅极MOSFET

双栅极MOSFET要么是耗尽型，要么是增强型。

4.5 MOSFET偏置

如同BJT和JFET，偏置电路确定合适的直流工作条件，为交流信号提供一个稳定的工作点。

4.5.1 D-MOSFET偏置

D-MOSFET在正或负的V_GS下都能工作。当V_GS为负时，器件工作在耗尽模式；当V_GS为正时，器件工作在增强模式。

D-MOSFET的优点是在这两种模式下都能工作，也是唯一一种具有此特性的晶体管。

4.5.2 E-MOSFET偏置

E-MOSFET的V_GS必须大于阈值电压V_GS(th)。各种BJT偏置电路(除了基极偏置)通过设置合适的值，都能够用于E-MOSFET。

4.5.3 IGBT

IGBT(绝缘栅双极晶体管)是一种具有MOSFET输入特性和BJT输出特性的器件。

IGBT本质上可看做一个电压控制的BJT。由于它具有绝缘栅极而不是基极，因此没有输入电流，并且不会对驱动电路产生负载效应。

IGBT在某些方面优于MOSFET，在另一些方面优于BT。IGBT主要用于高压大电流开关应用中。

4.6 FET线性放大器

4.6.1 FET的跨导

FET的传输特性，即跨导曲线，如图4-9a所示。FET和BJT有本质区别，因为FET是电压控制器件。输出的漏极电流由输入的栅极电压控制。跨导为交流参数，定义为：输入电流除以输入电压

跨导是传输曲线的斜率，它不是一个常数，但取决于漏极电流

4.6.2 共源放大器

JFET 为具有自给偏置的n沟道JFET的共源(CS)放大器。交流源通过电容耦合到栅极。

4.6.3 共漏放大器

共漏(CD)JFET放大器如图4-44所示，其中标明了电压。电路中使用了自给偏置。

输入信号通过耦合电容加到栅极，在源极端输出信号。电路中没有漏极电阻。此电路与JBT的射极跟随器类似，有时也称为源极跟随器。

这是一种广泛使用的FET电路，因为其具有很高的输入阻抗。

4.6.4 共栅放大器

共栅(CG)放大器因自身原因应用有限，但可以用于FET差分放大器的第二级(在第6章讨论)。CG放大器在高频中也有应用。虽然其电压增益与CS放大器相当，但其输入电阻很低，失去了FET的主要优势之一。

共栅放大器的一个应用是共源共栅放大器。一个共源共栅放大器由共源和共栅放大器串联而成。JFET共源共栅放大器如图4-51a所示。由两个匹配D-MOSFET构成的低电压共源共栅放大器如图4-51b所示。

共源共栅放大器主要用于射频(RF)应用。

本节问题

1. 如何计算CS放大器的增益?

跨导(g_m)乘以交流漏极电阻(R_d)，或者交流漏极电阻((R_d)与内部交流源电阻(r'_s)的比值。

2. 直流源偏置CD放大器相对于单级CD放大器的主要优势是什么?

电流源偏置的D放大器具有更高的输入电阻，无偏置电阻，可以进行直流耦合，输出直流电压为0V。

3. 三种组态(CS、CD或CG)中哪种不会使输人信号反相?

CD和CG

4. CG放大器的主要缺点是什么?

低输入电阻

5. FET的哪个特性使得它最适合作为第一级放大器?

高输入电阻和低噪声

4.7 MOSFET开关电路

虽然BJT和JFET都能用于开关电路，但MOSFET是目前大多数开关应用的首选器件。

MOSFET具有很低的导通电阻，非常高的断开电阻，很快的切换时间，因此它是极好的开关器件。

有两种基本类型的MOSFET开关电路：模拟和数字。

4.7.1 MOSFET开关工作原理

通常将E-MOSFET用于开关应用，因为其具有阈值特性，V_GS(th)。

当栅源电压小于阈值时，MOSFET处于关闭状态。当栅源电压大于阈值时，MOSFET导通。

4.7.2 模拟开关

MOSFET通常用于模拟信号开关。

一般来讲，一个加到漏极上的信号可以通过栅极上的电压来接通或断开与源极的相连。主要限制在于源极的信号大小不能导致栅源电压小于V_GS(th)

一个基本的n沟道MOSFET模拟开关如图4-54 所示。当由于正V_GS使得MOSFET导通时，漏极上的信号连接到源极。当V_GS为0时，漏极上的信号与源极断开，如图4-54所示。

4.7.3 模拟开关应用

模拟开关的应用之一是模数转换。

模拟开关用于采样保持电路，来以特定速率对输入信号进行采样。然后每个采样信号值暂时存储在电容中，直到被一个模-数转换器(ADC)转换成数字编码。

为了实现这个目标，MOSFET通过加在栅极上的脉冲在输入信号的一个周期内的短时间内导通。

信号采样以及能从采样的信号中重构的最小速率必须大于信号最大频率的两倍。这一最小采样频率称为奈奎斯特频率。

模拟复用器用于需要将两路或多路信号传输到同一目标的应用中。

两个MOSFET交替导通和截止，这样信号采样先后连接到输出。脉冲信号加到开关A的栅极，反相脉冲信号加到开关B的栅极。一个称为反相器的数字电路用来实现这个目标。当脉冲为高电平时，开关A闭合，开关B断开。当脉冲为低电平时，开关B闭合，开关A断开。这称为时分复用。

MOSFET的另一应用是开关电容电路，它通常用于称为模拟信号处理器的集成电路可编程模拟器件中。因为电容在集成电路中比电阻更容易实现，所以它用来模拟电阻。此外，电容在芯片上占据的空间比IC电阻也要少，也不会消耗功率。

4.7.4 CMOS：数字开关应用

反相器：CMOS的主要优点是它的直流消耗功率非常小。由于两个MOSFET串联，且其中一个始终处于断开状态，因此在静止状态时，直流电源中基本上没有电流流过。当MOSFET开关时，只有在非常短的时间内会有电流，因为只有在这个极短的状态转变的时间间隔内，两个晶体管会同时导通。

与非门：

与非门在图4-62a中，在CMOS对的基础上增加了两个额外的MOSFET和第二个输入，得到一个称为与非门的数字电路。

当V_A与V_B为高电平时，输出为低电平；否则，输出为高电平。

本节问题

1. 模拟和数字开关之间的差别是什么?

模拟开关能导通或阻断交流信号；数字开关能开启或关闭器件。

2. 理想模拟开关有哪些特点?

当闭合时，它对信号而言电阻为零；当断开时，它为无穷大电阻。

3. MOSFET用作数字开关有哪些优点?

它们是压控器件，且不需驱动电流。它们能控制大电流器件，且不易发生温漂。

4. CMOS反相器如何工作?

n沟道和p沟道E-MOSFET通过共栅和共漏连接，输出连接到漏极。

n沟道源极接地，p沟道源极连接正电源电压。

当输入大于电源电压的一半时，n沟道器件导通，使得输出近似于接地；当输入小于电源电压的一半时，p沟道器件导通，使得输出接近于电源电压。

5. 列举出几种高功率MOSFET

LDMOSFET、VMOSFET和 TMOSFET。