场效应管课件

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1、1.4场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）简简称称场效应管场效应管，是，是利用输入电压产生的电场效应来控制输出回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，是路电流的一种半导体器件，是电压控制型器件电压控制型器件。由于它仅靠。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管单极型晶体管。特点特点输入端电流极小，因此它的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大输入电阻很大利用多数载流子导电，其利用多数载流子导电，其温度稳定性较好温度稳定性较好抗辐射能力强、功耗低、噪声低抗辐射能力

2、强、功耗低、噪声低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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型（IGFET）1.4场效应晶体管场效应晶体管DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管（Junction Field Effect Transistor）结构结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型导导电电沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电

3、压，N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管是通过改变是通过改变 UGS 的大小来控制的

4、大小来控制漏极电流漏极电流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。1. 当当UDS = 0 时时， uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UG

5、S = 0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽UGS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟道层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。相应变窄。当当 UGS = UGS（Off)，耗尽层，耗尽层合拢，导电沟道被夹断合拢，导电沟道被夹断.ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS 0，耗尽层呈现楔形。，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) ) uGD uGS uDS uDS uGD 靠近漏极一边的导靠近漏极一边的导电沟道变窄。电沟道变窄。d-s呈现电阻特性。呈现电阻特性。GDSNP+P+VGGuDS uGD = UGS(o

6、ff)， 沟道预夹断沟道预夹断uDS uGD uGS(off)，夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变( (1) ) 改变改变 uGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场效应管；，故称场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG( (c) )GDSiSiDP+VDDVGGP+P+( (d) )3.当当uGD uGS(off),时，时， , uGS 对漏极电流

7、对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm来描述动态的栅来描述动态的栅-源电压对漏极源电压对漏极电流的控制作用。电流的控制作用。由于漏极电流受栅由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件压控制元件(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下, 即当即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD uGS(off

8、)时，时， iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS ，而与而与uDS 无关。此时，无关。此时， 可以把可以把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )O uGSiDIDSSUGS(off)图图 转移特性转移特性uGS = 0 ，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小；uGS = UGS(off) ，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off

9、) ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路mAUif uDSDGSconst()= = =2. 输出特性曲线输出特性曲线当栅当栅-源之间的电压源之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 iD 与漏之与漏之间电压间电压 uDS 的函数关系，即的函数关系，即 结型场效应管转移特性曲线的近似公式：结型场效应管转移特性曲线的近似公式：2GSDDSSGS(off)GS(off)GS(1) (0 ) uiIUUu=-=-if uUconstDDSGS()= = =IDSS/VPGSDSUUU 预夹断轨迹预夹断轨迹

10、恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。图图 1.4.5( (b) )漏极特性漏极特性输出特性曲线输出特性曲线夹断区夹断区UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS图图 1.4.5(a)特性曲线测试电路特性曲线测试电路+-mA击穿区击穿区iD/mAuDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 UP7V= = - -结型结型P 沟道的特性曲线沟道的特性曲线SGD转移特性曲线转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线输出特性曲线iDUGS= 0

11、V2+uDS4+8+o o栅源加正偏电压，栅源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。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。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅

12、型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型

13、场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET ( (Mental Oxide Semi FET) )1. 结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底( (掺杂浓度低掺杂浓度低) )N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate

14、D 漏极漏极 DrainSGDB1. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD( (2) ) UDS = 0，0 UGS UGS(th) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏

15、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靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UGS(th)， UGD UGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变， iD因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UGS(th)P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+

16、BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UGS(th)( (b) ) UGD = UGS(th)( (c) ) UGD UGS UGS(th)时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。3. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS UGS(th) 时时) )三个区：可

17、变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断、夹断区。区。UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO图图 1.4.10 ( (a) )图图 1.4.10 ( (b) )iD/mAuDS /VOUUGSGS(th= =）预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加uiI2GSDDOGS(th)(1)U=-=-二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P

18、 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS /VOUGS(off)( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型

19、沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th) 0当当UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM例例2电路如图电路如图1.4.14所示，其中管子所示，其中管子T的输出特性曲的输出特性曲线如图线如图1.4.15所示。试分析所示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情况下三种情况下uo分别为多少伏？分别为多少伏？ 图图1.4.14图图1.4.15分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th) 4V解解(1) ui为为0V

20、，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 VDD 15V(2) uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V(3) uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而。因而u0 15- 2.2*5 4V但是，但是， uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS= uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得uGS 10V时时d-

21、s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)dsdsDuRKi33()31 10- -= = = = 所以输出电压为所以输出电压为dsDDdsdRuVVRR05.6= =坊坊+ +晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温 度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和 超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管