模电课件14场效应管

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1、场效应管场效应管1.1.熟悉场效应管的结构、分类熟悉场效应管的结构、分类2.2.了解场效应管的的工作原理、主要参数和应用了解场效应管的的工作原理、主要参数和应用 1.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管的结构特点的结构特点2.绝缘栅型场效应管的特性曲线绝缘栅型场效应管的特性曲线学习目标学习目标学习重点学习重点4/22/20231.4 1.4 场效应管场效应管场效应管（场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于它仅靠一控制输出回路电流的一种半导体器件，由于它仅靠一种载流子导电，又称种载流子导电，又称单极型晶体管单极型晶体管。场效应管

2、场效应管结型场效应管结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管（MOSFET）N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道4/22/20231、N沟道增强型沟道增强型MOS管管一、绝缘栅型场效应管一、绝缘栅型场效应管(MOSFET)金属层氧化物层半导体层S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底(1)结构结构符号符号4/22/2023（2 2）工作原理）工作原理当加当加uDS时时，若若uGS0两个两个PN结背靠背，不存在导电沟道，即结背靠背，不存在导电沟道，即iD0；4/22/2023+

3、NNP型衬底型衬底uDSuGSuDS0，uGS0uGS排斥排斥SiO2附近的空穴，剩附近的空穴，剩下不能移动的离子，形成耗尽下不能移动的离子，形成耗尽层；层；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，即反型层，也是型薄层，即反型层，也是ds之间的导电沟道；之间的导电沟道；随着随着uGS增大，增大，开启电压开启电压UGS(th)：刚刚形成反型层的：刚刚形成反型层的uGS电压。电压。SDG4/22/2023+NNP型衬底型衬底uDSuGSuGSU GS(th)，uDS0由于有导电沟道，会产由于有导电沟道，会产生漏极电流生漏极电流iD；

4、iD导电沟道存在电位梯度，导电沟道存在电位梯度，导电沟道不均匀，沿着导电沟道不均匀，沿着sd方向逐渐变窄；方向逐渐变窄；当当uDS=UGS UGS(th)时，导电沟道出现预夹断；时，导电沟道出现预夹断；当当uDS较大，较大，uDSUGS UGS(th)时，导电沟道出现夹断；时，导电沟道出现夹断；此时，此时，iD的大小与的大小与uDS无关，由无关，由uGS决定，恒流区。决定，恒流区。当当uDS较小，较小，uDSUGS UGS(th)时时,uDS增大增大,iD也增大也增大,可变电阻区；可变电阻区；SDG4/22/2023（3 3）特性曲线与电流方程）特性曲线与电流方程输出特性曲线输出特性曲线uGS

5、1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区夹断区夹断区预夹断轨迹预夹断轨迹i iD D=f f(u uDSDS)对应不同的对应不同的U UGSGS下得一簇曲线下得一簇曲线夹断区夹断区夹断区夹断区恒流区恒流区恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线（分三个区域）（分三个区域）（分三个区域）（分三个区域）4/22/2023输出特性曲线输出特性曲线（分三个区域）夹断区：夹断区：uGS109欧。欧。uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2夹

6、断区夹断区4/22/2023输出特性曲线输出特性曲线（分三个区域）uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区：恒流区：uDSUGS UGS(th)导电沟道出现夹断，导电沟道出现夹断，iD取决于取决于uGS，而与，而与uDS无关无关；恒流区恒流区4/22/2023输出特性曲线输出特性曲线（分三个区域）可变电阻区：可变电阻区：导电沟道未夹断前，导电沟道未夹断前，对应不同的，对应不同的uGS，ds 间可等效不同的电阻；间可等效不同的电阻；uDSUGS UGS(th)uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可可变变电电

7、阻阻区区4/22/2023转移特性曲线转移特性曲线与电流方程与电流方程UGS(th)2UGS(th)IDOuGSiD转移特性曲线转移特性曲线:电流方程电流方程:IDO：uGS2UGS(th)时的时的iD。恒流区：恒流区：恒流区：恒流区：i iD D 基本上由基本上由基本上由基本上由u uGSGS决定，与决定，与决定，与决定，与U UDSDS 关系不大关系不大关系不大关系不大uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区恒流区转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线4/22/2023总结：总结：N沟道增强型沟道增强型导电沟道是导电沟道是N型，所以衬

8、底是型，所以衬底是P型。型。4/22/20232 2、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管在在G的下方，在的下方，在Si O2中掺入大量的正离子，中掺入大量的正离子，即使即使uGS0，也会吸引，也会吸引P中的电子形成沟道。中的电子形成沟道。-gs+NdbN+P型衬底型衬底uGSuDSiD 想让沟道消失，必须想让沟道消失，必须加足够负电压。加足够负电压。夹断电压夹断电压UGS(off)：反型：反型层消失时的层消失时的uGS，为负值。，为负值。sgdbN沟道沟道符号：符号：N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管的的uGS可以为正，也可以为可以为正，也可以为负负。iD4/22/20233 3 3 3

9、、P P P P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型导电沟道是导电沟道是P型，所以衬底是型，所以衬底是N型型。P沟道沟道MOS的工作原理与的工作原理与N沟道沟道MOS完全相同，只完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。iD4/22/20234 4、P P沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型5、VMOS管（自学）管（自学）4/22/2023二、结型场效应管二、结型场效应管1 1、结构结构(以以N沟道为例沟道为例)NP+P+三个电极：三个电极：g：栅极：栅极d：漏极：漏极s：源极：源极两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟

10、道。g 栅极栅极d 漏极漏极s源极源极N N沟道沟道P P沟道沟道符号：符号：4/22/20231 1、工作原理工作原理N沟道结型场效应管正常工作，应在沟道结型场效应管正常工作，应在uGS0，形成漏极电流，形成漏极电流iD。（1 1）uGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用耗尽层耗尽层NP+P+sdg当当uGS到一定值时到一定值时，沟，沟道会完全合拢。道会完全合拢。uGS=UGS(off)夹夹断电压。断电压。在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS，令，令uDS=0当当uGS=0时，导电沟道最时，导电沟道最宽。宽。当当uGS时，沟道电阻增时，沟道电阻增大。大。VGG（uGS）4/22/2023（2

11、 2）当）当uGS为为0UGS(off)中某一值，中某一值，uDS对对iD的影响的影响NP+P+dgs VGG（uGS）VDD（uDS）iD当当uDS=0时，时，iD=0。当当uDS0时，从时，从ds电电位依次减小，即耗尽层位依次减小，即耗尽层承受的反向电压由承受的反向电压由ds逐渐减小，故宽度也沿逐渐减小，故宽度也沿着着ds方向逐渐变窄。方向逐渐变窄。uDSiD当当uGD=UGS(off)时，漏极的时，漏极的耗尽层出现夹断。耗尽层出现夹断。uDSuGSuGDuGDuDSuGS0uGD uGS uDS4/22/2023NP+P+dgs VGG（uGS）VDD（uDS）iD当当uGDUGS(of

12、f)时，漏极的时，漏极的耗尽层夹断层加长。耗尽层夹断层加长。uDS增大，电流增大，电流iD基本不变。基本不变。（3 3）当）当uGDUGS(off)时，时，uGS对对i iD的控制作用的控制作用当当uGDUGSoff时，导电沟道未出时，导电沟道未出现夹断，对应不同的现夹断，对应不同的uGS，ds 间可等效不同的电阻；间可等效不同的电阻；（2）当）当uGDUGSoff时，导电沟道出现预夹断；时，导电沟道出现预夹断；（3）当）当uGDuGSuDSUGSoff时，导电沟道出现时，导电沟道出现夹断，夹断，iD取决于取决于uGS，而与，而与uDS无关无关。（4）PN 结反偏，结反偏，iG 0。4/22/

13、20233、结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线（1 1）输出特性曲线输出特性曲线可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区击穿区击穿区夹断区夹断区iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V预夹断轨迹预夹断轨迹可变电阻区：导电沟道未可变电阻区：导电沟道未夹断前，夹断前，uDS与与iD线性关系，线性关系，对应不同的对应不同的uGS，ds 间可间可等效不同的电阻；等效不同的电阻；恒流区：导电沟道出现夹恒流区：导电沟道出现夹断，断，iD取决于取决于uGS，而与，而与uDS无关无关；预夹断轨迹：预夹断轨迹：uGDuGSuDS UGS(off)夹断区：夹断区：uGSUGS(

14、off)时，导电沟道完全被夹断，时，导电沟道完全被夹断，iD0。4/22/2023（2）转移特性曲线转移特性曲线iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V0-3-12iD(mA)uGS（V）1-4-243UGS（off）IDSS恒流区的转移特恒流区的转移特性曲线近似一条性曲线近似一条 IDSS：饱和漏电流。：饱和漏电流。uGS=0时，时，uGDUGS(off)时漏极电流；时漏极电流；4/22/2023三、场效应管的主要参数三、场效应管的主要参数1、直流参数直流参数（1）开启电压开启电压UGS(th)：增强型增强型MOS管的参数管的参数（2）夹断电压夹断电压UGS

15、(off)：结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管的参数管的参数（3）饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：耗尽型管，在耗尽型管，在UGS0时产生预时产生预夹断时的漏极电流夹断时的漏极电流P 49图图1.4.13场效应管的符号及特性场效应管的符号及特性4/22/20232、交流参数交流参数（4）直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC):栅源电压与栅极电流之比。结型管大于栅源电压与栅极电流之比。结型管大于107，MOS 管大于管大于109。（1）低频跨导低频跨导gm：表示表示uGS对对iD控制作用的强弱控制作用的强弱uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uG

16、S2iDuGSuGSiDiDuGS某点切线某点切线斜率斜率4/22/20233、极限参数极限参数（2）极间电容极间电容：场效应管的三个极之间均存在极间电容。高频电路中，场效应管的三个极之间均存在极间电容。高频电路中，考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率fM是综合考是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。（1）最大漏极电流最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。（2）击穿电压击穿电压：U(BR)DS：管子进入恒流区后，使管子进入恒流区后，使iD骤然增大的骤然

17、增大的uDS。U(BR)GS：结型管：使栅极与沟道间结型管：使栅极与沟道间PN结反向击穿的结反向击穿的uGS。MOS管：使绝缘层击穿的管：使绝缘层击穿的uGS。4/22/2023（3）最大耗散功率最大耗散功率PDM：PDM决定管子允许的温升。决定管子允许的温升。PDM确定后，可在管子确定后，可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线，再根据由的输出特性曲线上画出临界最大功耗线，再根据由IDM和和U(BR)DS可得到管子的安全工作区。可得到管子的安全工作区。四、四、MOS管使用注意事项管使用注意事项2 2、在在使使用用场场效效应应管管时时，要要注注意意漏漏源源电电压压、漏漏源源电电流流及耗散功率

18、等，不要超过规定的最大允许值。及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。1 1、保存、保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空；管应使三个电极短接，避免栅极悬空；4/22/2023MOSMOS场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使用上却带来新的问题用上却带来新的问题 由于输入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应由于输入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉，电荷的累积造成了电压的出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉，电荷的累积造成了电压的升高，尤其是在极间电容比较小的情况本下，少量的

19、电荷就会产生升高，尤其是在极间电容比较小的情况本下，少量的电荷就会产生较高的电压，以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现较高的电压，以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现指标下降的现象，特别是指标下降的现象，特别是MOSMOS管，其绝缘层很薄，更易击穿损坏。管，其绝缘层很薄，更易击穿损坏。保存保存MOSMOS管应使三个电极短接，避免栅极悬管应使三个电极短接，避免栅极悬空空4/22/2023易受静电影响易受静电影响不受静电影响不受静电影响静电影响静电影响较小较小较大较大噪声噪声电压输入电压输入电流输入电流输入输入量输入量电压控制电流源电压控制电流源电流控制电流源电流控制电流源控制

20、控制 多子参与导电多子参与导电多子与少子同时参与多子与少子同时参与导电导电导电载流子导电载流子 单极型场效应管单极型场效应管双极型三极管双极型三极管几十到几千欧几十到几千欧输入电阻输入电阻几兆欧以上几兆欧以上三个电极三个电极发射极与集电极不能互发射极与集电极不能互换使用换使用漏极与源极可以互换使漏极与源极可以互换使用用五、场效应管与晶体管的比较五、场效应管与晶体管的比较4/22/2023晶体管噪声晶体管噪声在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。晶体管噪声是晶体管的重要参数。晶体管按工作原理可分为两大类，

21、一类是双极型晶体管；另一类是单极型晶体管,即场效应晶体管（FET）。双极型晶体管的噪声按物理来源通常分为四类：热噪声、散粒噪声、配分噪声和1/f噪声。热噪声热噪声晶体管的基区或各项电阻上载流子的不规则热运动产生的电流起伏，即为热噪声。由于热噪声频谱是均匀分布的，又称为白噪声。散粒噪声散粒噪声晶体管中少数载流子通过发射极基极结注入到基区时,少数载流子的数目和速度都有起伏,引起通过结的电流的微小变化。同时，少数载流子在基区内的不规则运动，包括所产生的复合过程也将引起电流起伏，这些都属于晶体管的散粒噪声。散粒噪声与频率无关。配分噪声配分噪声在晶体管基区中，发射极电流的一部分变为集电极电流，另一部分变

22、为基极电流，有一个由空穴电子复合作用而定的电流分配系数。复合现象本身同样受到热起伏效应的影响，因此分配系数不是恒定的。它的微小变化也会引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。参考资料：参考资料：4/22/20231/f噪声噪声在晶体管噪声频谱(图)中，低频时噪声急剧上升,呈1/fn关系。随工艺条件、表面处理和环境气氛等的不同，n取12之间,故常称为1/f噪声。低频噪声产生的原因和机理很复杂,尚待深入研究。噪声系数噪声系数晶体管的噪声系数有多种定义方法。常用输入信噪比与输出信噪比的相对比值作为晶体管的噪声系数,即。噪声系数通常以分贝为单位来表示。降低晶体管噪声的主要途径是提高截止频率和降低

23、基区电阻。场效应晶体管噪声场效应晶体管噪声FET的噪声源一般有三项:热噪声、感应栅噪声和1/f噪声。FET的热噪声主要来源于沟道电阻、栅电阻和源串联电阻。感应栅噪声是因为沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流。由于沟道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中引起的，因而它们之间有部分相关性。FET噪声频谱与双极型晶体管类似。减小FET噪声的主要途径是提高跨导,减小栅电容和降低寄生电阻RS和Rg值。由于由于FET是多数载流子器件是多数载流子器件,从原理上讲，比双极型晶体管工作频率高，噪从原理上讲，比双极型晶体管工作频率高，噪声系数低。声系数低。4/22/2023