《场效应管》PPT课件

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1、1.4 场 效 应 晶 体 管场 效 应 晶 体 管 （ Field Effect Transistor， FET） 简称 场 效 应 管 ， 是 利 用 输 入 电 压 产 生 的 电 场 效 应 来 控 制 输 出 回路 电 流 的 一 种 半 导 体 器 件 ， 是 电 压 控 制 型 器 件 。 由 于 它 仅 靠半 导 体 中 的 多 数 载 流 子 导 电 ， 又 称 单 极 型 晶 体 管 。特 点 输 入 端 电 流 极 小 ， 因 此 它 的 输 入 电 阻 很 大利 用 多 数 载 流 子 导 电 ， 其 温 度 稳 定 性 较 好抗 辐 射 能 力 强 、 功 耗 低 、

2、 噪 声 低 N沟 道P沟 道增 强 型耗 尽 型 N沟 道P沟 道N沟 道P沟 道（ 耗 尽 型 ）FET场 效 应 管 JFET结 型MOSFET绝 缘 栅 型（ IGFET）1.4 场 效 应 晶 体 管 D SG N 符号1.4.1 结 型 场 效 应 管 （ Junction Field Effect Transistor）结 构图 1.4.1 N 沟 道 结 型 场 效 应 管 结 构 图N型导电沟道N型 硅 棒栅 极 源 极漏 极P+ P+P 型 区 耗 尽 层(PN 结 ) 在 漏 极 和 源 极 之 间 加上 一 个 正 向 电 压 ， N 型 半导 体 中 多 数 载 流

3、子 电 子 可以 导 电 。 导 电 沟 道 是 N 型 的 ，称 N 沟 道 结 型 场 效 应 管 。 P 沟 道 场 效 应 管 P 沟 道 结 型 场 效 应 管 结 构 图N+ N+P型沟道G SD P 沟 道 场 效 应 管 是 在 P 型 硅 棒 的 两 侧 做 成 高 掺杂 的 N 型 区 (N+)， 导 电 沟道 为 P 型 ， 多 数 载 流 子 为空 穴 。 符 号G DS 一 、 结 型 场 效 应 管 工 作 原 理 N 沟 道 结 型 场 效 应 管 是 通 过 改 变 UGS 的 大 小 来 控 制漏 极 电 流 ID 的 。 (VCCS)G D SNN型沟道栅

4、极 源 极漏 极P+ P+耗 尽 层 *在 栅 极 和 源 极 之 间加 反 向 电 压 ， 耗 尽 层 会 变宽 ， 导 电 沟 道 宽 度 减 小 ，使 沟 道 本 身 的 电 阻 值 增 大 ，漏 极 电 流 ID 减 小 ， 反 之 ，漏 极 I D 电 流 将 增 加 。 *耗 尽 层 的 宽 度 改 变主 要 在 沟 道 区 。 1. 当 UDS = 0 时 ， uGS 对 导 电 沟 道 的 控 制 作 用ID = 0G D SN型沟道P + P+ (a) UGS = 0UGS = 0 时 ， 耗 尽层 比 较 窄 ， 导 电 沟比 较 宽 UGS 由 零 逐 渐 减 小 ， 耗

5、 尽层 逐 渐 加 宽 ， 导 电 沟 道相 应 变 窄 。 当 UGS = UGS（ Off)， 耗 尽 层合 拢 ， 导 电 沟 道 被 夹 断 .ID = 0G D SP+ P+N型沟道(b) U GS(off) UGS 0， 耗 尽 层 呈 现 楔 形 。 (a) (b) u GD uGS uDS uDS uGD 靠 近 漏 极 一 边 的 导电 沟 道 变 窄 。 d-s呈 现 电 阻 特 性 。G D SNP+ P+VGG uDS uGD = UGS(off)， 沟 道 预 夹 断 uDS uGD uGS(off)， 夹 断 ， iD几 乎 不 变(1) 改 变 uGS ， 改 变

6、 了 PN 结 中 电 场 ， 控 制 了 iD ， 故 称 场 效 应 管 ； (2)结 型 场 效 应 管 栅 源 之 间 加 反 向 偏 置 电 压 ， 使 PN 反 偏 ， 栅 极基 本 不 取 电 流 ， 因 此 ， 场 效 应 管 输 入 电 阻 很 高 。G D SP+ NiSiDP+ P+ VDDVGG(c) G D SiSiDP+ VDDVGG P+P+(d) 3.当 uGD uGS(off),时 ， , uGS 对 漏 极 电 流 iD的 控 制 作 用场 效 应 管 用 低 频 跨 导 gm来 描 述 动 态 的 栅 -源 电 压 对 漏 极电 流 的 控 制 作 用 。

7、由 于 漏 极 电 流 受 栅 -源 电 压 的 控 制 ， 故 称 场 效 应 管 为 电压 控 制 元 件 (VCCS)。在 uGD uGS uDS uGS(off)情 况 下 , 即 当 uDS uGS -uGS(off) 对 应 于 不 同 的 uGS ， d-s间 等 效 成 不 同 阻 值 的 电 阻 。(2)当 uDS使 uGD uGS(off)时 ， d-s之 间 预 夹 断(3)当 u DS使 uGD uGS(off)时 ， iD几 乎 仅 仅 决 定 于 uGS ， 而 与 uDS 无 关 。 此 时 ， 可 以 把 iD近 似 看 成 uGS控 制 的 电 流 源 。 二

8、 、 结 型 场 效 应 管 的 特 性 曲 线1. 转 移 特 性 (N 沟 道 结 型 场 效 应 管 为 例 ) O u GSiDIDSSUGS(off)图 转 移 特 性uGS = 0 ， iD 最 大 ；uGS 愈 负 ， iD 愈 小 ；uGS = UGS(off) ， iD 0。两 个 重 要 参 数 饱 和 漏 极 电 流 IDSS(UGS = 0 时 的 ID)夹 断 电 压 UGS(off) (ID = 0 时 的 UGS)UDSiD VDDVGG DSGV-+ V-+uGS 特 性 曲 线 测 试 电 路mA Ui f u DSD GS const( ) = 2. 输 出

9、 特 性 曲 线当 栅 -源 之 间 的 电 压 UGS 不 变 时 ， 漏 极 电 流 iD 与 漏 之间 电 压 uDS 的 函 数 关 系 ， 即 结 型 场 效 应 管 转 移 特 性 曲 线 的 近 似 公 式 ：2GSD DSS GS(off)GS(off) GS(1 ) ( 0) ui I UU u= - i f u U constD DS GS( )= = IDSS/V PGSDS UUU 预 夹 断 轨 迹 恒 流 区 可 变电 阻 区漏 极 特 性 也 有 三 个 区 ： 可 变 电 阻 区 、 恒 流 区 和 夹 断 区 。图 1.4.5(b) 漏 极 特 性输 出 特

10、性 曲 线 夹 断 区UDSiD VDDVGG DSGV-+ V-+uGS图 1.4.5(a)特 性 曲 线 测 试 电 路+-mA 击 穿 区iD/mA uDS /VO UGS = 0V-1 -2 -3 -4 -5 -6 UP 7V= - 结 型 P 沟 道 的 特 性 曲 线 SG D转 移 特 性 曲 线iD UGS（ Off）I DSS O uGS 输 出 特 性 曲 线 iDUGS= 0V2 + uDS4 + 8 + o 栅 源 加 正 偏 电 压 ， (PN结 反 偏 )漏 源 加 反 偏 电 压 。 结 型 场 效 应 管 的 缺 点 ：1. 栅 源 极 间 的 电 阻 虽 然

11、可 达 107以 上 ， 但 在某 些 场 合 仍 嫌 不 够 高 。3. 栅 源 极 间 的 PN结 加 正 向 电 压 时 ， 将 出 现较 大 的 栅 极 电 流 。绝 缘 栅 场 效 应 管 可 以 很 好 地 解 决 这 些 问 题 。2. 在 高 温 下 ， PN结 的 反 向 电 流 增 大 ， 栅 源极 间 的 电 阻 会 显 著 下 降 。 1.4.2 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由 金 属 、 氧 化 物 和 半 导 体 制 成 。 称 为 金 属 -氧 化

12、物 -半导 体 场 效 应 管 ， 或 简 称 MOS 场 效 应 管 。特 点 ： 输 入 电 阻 可 达 1010 以 上 。类 型 N 沟 道P 沟 道 增 强 型耗 尽 型增 强 型耗 尽 型U GS = 0 时 漏 源 间 存 在 导 电 沟 道 称 耗 尽 型 场 效 应 管 ；UGS = 0 时 漏 源 间 不 存 在 导 电 沟 道 称 增 强 型 场 效 应 管 。 一 、 增 强 型 N 沟 道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1. 结 构 与 符 号P 型 衬 底(掺 杂 浓 度 低 )N+ N+ 用 扩 散 的 方 法制 作 两 个 N 区在

13、 硅 片 表 面 生 一层 薄 SiO2 绝 缘 层S D 用 金 属 铝 引 出源 极 S 和 漏 极 DG 在 绝 缘 层 上 喷 金属 铝 引 出 栅 极 GB耗尽层 S 源 极 SourceG 栅 极 Gate D 漏 极 Drain SG DB 1. 工 作 原 理 绝 缘 栅 场 效 应 管 利 用 UGS 来 控 制 “ 感 应 电 荷 ” 的 多少 ， 改 变 由 这 些 “ 感 应 电 荷 ” 形 成 的 导 电 沟 道 的 状 况 ，以 控 制 漏 极 电 流 ID。2.工 作 原 理 分 析(1)UGS = 0 漏 源 之 间 相 当 于 两 个 背 靠背 的 PN 结

14、， 无 论 漏 源 之 间 加 何种 极 性 电 压 ， 总 是 不 导 电 。 S B D (2) UDS = 0， 0 UGS UGS(th) 导 电 沟 道 呈 现 一 个 楔 形 。漏 极 形 成 电 流 ID 。b. UDS= UGS UGS(th)， UGD = UGS(th) 靠 近 漏 极 沟 道 达 到 临 界 开启 程 度 ， 出 现 预 夹 断 。c. U DS UGS UGS(th)， UGD UGS(th) 由 于 夹 断 区 的 沟 道 电 阻 很 大 ， UDS 逐 渐 增 大 时 ， 导 电沟 道 两 端 电 压 基 本 不 变 ， iD因 而 基 本 不 变

15、。a. UDS UGS(th)P 型 衬 底N+ N+BGS DVGGVDDP 型 衬 底N+ N+BS DVGGVDDP 型 衬 底N+ N+BGS DVGGVDD 夹 断 区 DP型 衬 底N+ N+BGS VGGVDD P型 衬 底N+ N+BGS DVGGVDD P型 衬 底N+ N+BGS DVGGVDD 夹 断 区图 1.4.9 UDS 对 导 电 沟 道 的 影 响(a) UGD UGS(th) (b) UGD = UGS(th) (c) UGD UGS UGS(th)时 ， 对 应 于 不 同 的 uGS就 有 一 个 确 定 的 iD 。此 时 ， 可 以 把 iD近 似 看

16、 成 是 uGS控 制 的 电 流 源 。 3. 特 性 曲 线 与 电 流 方 程(a)转 移 特 性 (b)输 出 特 性UGS UGS(th) 时 ) 三 个 区 ： 可 变 电 阻 区 、恒 流 区 (或 饱 和 区 )、 夹 断区 。UT 2UTIDO uGS /ViD /mAO 图 1.4.10 (a) 图 1.4.10 (b)iD/mA uDS /VO U UGS GS(th= ）预 夹 断 轨 迹恒 流 区 可 变电 阻 区 夹 断 区 。UGS增 加ui I 2GSD DO GS(th)( 1)U= - 二 、 N 沟 道 耗 尽 型 MOS 场 效 应 管 P型 衬 底N+

17、 N+BGS D+ 制 造 过 程 中 预 先 在 二 氧 化 硅 的 绝 缘 层 中 掺 入 正 离 子 ，这 些 正 离 子 电 场 在 P 型 衬 底 中 “ 感 应 ” 负 电 荷 ， 形 成 “ 反型 层 ” 。 即 使 UGS = 0 也 会 形 成 N 型 导 电 沟 道 。+ UGS = 0， UDS 0， 产 生较 大 的 漏 极 电 流 ； UGS 0；UGS 正 、 负 、零 均 可 。 iD/mA u GS /VOUGS(off) (a)转 移 特 性IDSS耗 尽 型 MOS 管 的 符 号 SG DB (b)输 出 特 性 iD/mA u DS /VO +1VUGS

18、=03 V1 V2 V4321 5 10 15 20N 沟 道 耗 尽 型 MOSFET 三 、 P沟 道 MOS管1.P沟 道 增 强 型 MOS管 的 开 启 电 压 UGS(th) 0当 UGS U(BR)GS ， PN 将 被 击 穿 ， 这 种 击 穿 与 电 容 击 穿 的 情 况 类 似 ， 属 于 破 坏 性 击 穿 。1.最 大 漏 极 电 流 IDM 例 2 电 路 如 图 1.4.14所 示 ， 其 中 管 子 T的 输 出 特 性 曲线 如 图 1.4.15所 示 。 试 分 析 ui为 0V、 8V和 10V三 种 情 况 下 uo分 别 为 多 少 伏 ？ 图 1.

19、4.14 图 1.4.15 分 析 ： N沟 道 增 强 型 MOS管 ， 开 启 电 压 UGS(th) 4V 解 (1) ui为 0V ， 即 uGS ui 0， 管 子 处 于 夹 断 状 态 所 以 u0 VDD 15V(2) uGS ui 8V时 ， 从 输 出 特 性 曲 线 可 知 ， 管 子 工 作 在 恒 流 区 ， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V(3) uGS ui 10V时 ，若 工 作 在 恒 流 区 ， iD 2.2mA。 因 而 u0 15- 2.2*5 4V但 是 ， uGS 10V时 的 预 夹 断 电 压 为u DS= uGS U

20、T=(10-4)V=6V可 见 ， 此 时 管 子 工 作 在 可 变 电 阻 区 从 输 出 特 性 曲 线 可 得uGS 10V时 d-s之 间 的 等 效 电 阻(D在 可 变 电 阻 区 ， 任 选 一 点 ， 如 图 )dsds DuR Ki 33( ) 31 10-= =所 以 输 出 电 压 为 ds DDds dRu V VR R0 5.6= 坊+ 晶 体 管 场 效 应 管结 构 NPN型 、 PNP型 结 型 耗 尽 型 N沟 道 P沟 道绝 缘 栅 增 强 型 N沟 道 P沟 道绝 缘 栅 耗 尽 型 N沟 道 P沟 道C与 E一 般 不 可 倒 置 使 用 D与 S有

21、的 型 号 可 倒 置 使 用载 流 子 多 子 扩 散 少 子 漂 移 多 子 运 动输 入 量 电 流 输 入 电 压 输 入控 制 电 流 控 制 电 流 源CCCS() 电 压 控 制 电 流 源VCCS(g m) 1.4.4 场 效 应 管 与 晶 体 管 的 比 较 噪 声 较 大 较 小温 度 特 性 受 温 度 影 响 较 大 较 小 ， 可 有 零 温 度 系 数 点输 入 电 阻 几 十 到 几 千 欧 姆 几 兆 欧 姆 以 上静 电 影 响 不 受 静 电 影 响 易 受 静 电 影 响集 成 工 艺 不 易 大 规 模 集 成 适 宜 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 晶 体 管 场 效 应 管