第五章场效应管

1、1.3,双极型晶体管,1.3.1,晶体管的结构及类型,一、三极管的结构、,分类和符号,可按频率、功率、材料、结构分类。,若按结构分类，可分为,2,种：,集电极,c,集电区,1. NPN,型三极管,c,b,e,三个区、两个结、三个极,特点：基区薄，掺杂浓度低,发射区，掺杂浓度高,集电区，结面积大,N,P,N,基极,b,基区,发射结,发射区,集电结,发射极,e,1.3.2,晶体管的电流放大作用,-,放大？,三极管具有电流控,制作用的外部条件,:,（,1,）发射结正向偏置；,（,2,）集电结反向偏置。,共发射极接法放大电路,I,B,B,C,对于,NPN,型三极管应满足,:,U,CE,U,BE, 0,

2、R,B,E,U,BC,0,U,BE,即,V,C,V,B,V,E,E,B,R,C,I,C,E,C,对于,PNP,型三极管应满足,:,输入,U,EB, 0,回路,U,CB,0,即,V,C,V,B,V,E,公,共,端,输出,回路,三极管的电流控制原理,V,BB,正极拉走电,子，补充被复,合的空穴，形,成,I,B,I,C,I,CBO,I,CN,电子流向电源正极形成,I,C,N,集电区收集电子,电子在基区,扩散与复合,I,BN,P,N,I,EN,发射区向基区,注入电子,电源负极向发射,区补充电子形成,发射极电流,I,E,V,CC,R,B,I,B,I,EP,R,C,V,BB,I,E,三极管输出特性上的三个

3、工作区,（,1,）放大区：发射结正偏，集电极,反偏。特性曲线的平坦部分。,I,C,?,?,I,B,?,I,CEO,满足,有电流控制作用。,（,2,）截止区：,I,B,0,的区域，两结反,偏。严格说，,I,E,=0,即,I,C,I,CBO,的区域，管子基本不导电。,i,C,/,mA,80,A,放,大,60,A,40,A,饱,和,（,3,）饱和区：两结正偏，靠近纵轴,区,的区域。,I,B,增加，,I,C,不再增加，,0,不受,I,B,的控制，,I,C,只随,U,CE,增加,而增加。,区,20,A,I,B,=,0 ,A,截止区,u,CE,/V,U,CE,=U,BE,称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压

4、降,U,CES,很小。,临界饱和的估算：三个工作区的分析,1.3.5,晶体管的应用电路举例,例,1.3.1,现已测得某电路中有几只晶体管三个极的直流电位如表,所示，各晶体管,b-e,见开启电压,U,on,均为,0.5V,。,试分别说明各管子的工作状态。,晶体管,基极直流电位,U,B,/V,发射极直流电位,U,E,/V,集电极直流电位,U,C,/V,工作状态,T,1,0.7,0,5,T,2,1,0.3,0.7,饱和,T,3,-1,-1.7,0,放大,T,4,0,0,15,放大,截止,对,NPN,管，,当,U,BE,U,on,时，管子截止；,当,U,BE,U,on,且,U,CE, U,BE,(,或

5、,U,C, U,B,),，管子放大；,当,U,BE,U,on,且,U,CE,U,BE,(,或,U,C,U,B,),，管子饱和。,5,.,1,场效应管,特点：,体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，,噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺,简单。尤其,MOS,管在大规模和超大规模集成电,路中占有重要地位。,分类：,场效应管,(FET),N,沟道,结,型,(JFET),绝缘栅型,(MOSFET),P,沟道,增强型,E,型,（耗尽型）,N,沟道,P,沟道,耗尽型,D,型,N,沟道,P,沟道,5.1.1,结型场效应管,(Junction Field Effect Transistor),一、

6、工作原理和结构,1,、结构：,I,D,在,N,型硅棒两端加上,一定极性的电压，多子在,N,电场力的作用下形成电流,D,栅极,G,I,D,。在,N,型硅棒两侧做成,+,+,P,P,G,两个高浓度的,P,+,区，并将,其连在一起，如图。若将,S,G,、,S,间加上不同的反偏电,压，即可改变导电沟道的,宽度，便实现了利用电压,源极,S,所产生的电场控制导电沟,道中电流强弱的目的。,图,5.1.1 N,沟道结型场效应管的结构示意图,漏极,D,2,、工作原理,（,1,）,D,、,S,间短路，,G,、,S,间加反向电压,U,GS,增大，耗尽层加宽，导电,沟道变窄，电阻加大，当,U,GS,加,G,大到一定值

7、时，两侧的耗尽区几乎碰,上，导电沟道仿佛被夹断，,D,、,S,间电,阻趋于无穷大。,U,GS,此时，,U,GS,=U,GS(off),夹断电压,当,U,GS,U,GS(off),后，耗,尽区无明显变化，太大会出现击穿。,D,N,P,+,P,+,S,图,5.1.2,由于,PN,结反偏，栅极电流基本为,0,，消耗很小。一般不用正偏。,（,2,）,G,、,S,间短路，,D,、,S,间加正向电压,随,U,DS,，,I,D,。由于电压降，靠近,D,极,U,GD,反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越,G,窄，呈现楔型。,当,U,DS,=,U,GS(off),即,U,GD,=U,GS(off),时，在漏极两侧的

8、耗尽区开始合拢，称,为,预夹断,。,U,DS,，,预夹断,区变长，,U,DS,的增加部分,落在,预夹断,区，导电沟道内的,I,D,基本不变,（,3,）,G,、,S,间加负电压，,D,、,S,间加正向电压,。,G,、,S,的负电压使耗尽区变宽，导电沟,道变窄；,D,、,S,间的正电压使耗尽区和导,电沟道不等宽。,当,U,GD,=U,GS,-U,DS,=U,GS(off),，即,U,DS,= U,GS,-U,GS(off),时,，发生预夹断，此后,U,GS,U,DS,，,I,D,基本不变。,图,5.1.3,D,R,P,+,P,+,U,DS,S,R,P,+,P,+,U,DS,二、特性曲线及电流方程,

9、1,、漏极特性曲线（输出特性曲线）,i,D,=,f,(,u,DS,),U,GS,=,常数,低频跨导：,i,D,/mA,4,3,预夹断,轨迹,U,GS,=,0V,1,?,i,D,g,m,?,?,u,GS,3,i,D,/mA,可变,2,电阻区,1,恒,流,区,4,8,2V,3V,?,I,D,2,1,0,12,夹断区,图,5.1.4,场效应管的输出特性,?,U,GS,3,2,1,0,1,U,G,s(off),2,图,5.1.5,转移特性,(1),可变电阻区,i,D,几乎与,u,DS,成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻,可看作一个受栅源电压,u,GS,控制的可变电阻。,(2),恒流区（饱和区）,i

10、,D,的大小受,u,GS,控制。饱和区与可变电阻区的分界线为,u,DS,= u,GS,-U,GS(off),。,(3),夹断区,u,GS,U,GS(off),，沟道被夹断，,i,D,0,2,、转移特性曲线,i,D,=,f,(,u,GS,),U,DS,=,常数,i,D,?,I,DSS,(,1,?,u,GS,U,GS,(,off,),),2,(,U,GS,(,off,),?,u,GS,?,0,),5.1.2,绝缘栅型场效应管,(MOSFET),一、,N,沟道增强型,MOS,管,四种类型：,1.,结构和符号,源极,S,栅极,G,漏极,D,N,沟道增强型；,N,沟道耗尽型；,P,沟道增强型；,P,沟道

11、耗尽型。,SiO,2,+,N,P,型硅衬底,衬底引线,B,+,N,G,D,B,S,符号,图,5.1.6,N,沟道增强型,MOS,管结构示意图及符号,2.,工作原理,(1),U,GS,=0,U,DS,I,D,= 0,S,+,N,耗尽层,P,型硅衬底,D,与,S,之间是两个,PN,结反向串联，,无论,D,与,S,之间加,什么极性的电压，,漏极电流均接近,于零。,G,D,+,N,SiO,2,衬底引线,B,图,5.1.7(a),工作原理图,(2) 0, U,GS, U,GS(th),由柵极指向衬底方,向的电场排斥,P,区,空穴向下移动,在,P,型硅衬底的上表面,形成耗尽层仍然没,有漏极电流。,U,DS

12、,。,S,+,+,N,U,GS,I,D,= 0,G,D,+,N,N,+,耗尽层,P,型硅衬底,B,图,5.1.7(b),工作原理图,(3),U,GS,U,GS(th),栅极下,P,型半导体中,少子被吸引内至其表,面，形成,N,型导电沟,道,反型层,，当,D,、,S,加上正向电压后可产,生漏极电流,I,D,。,增强型,MOS,管的,i,D,与,u,GS,的,近似关系为：,U,DS,。,S,+,U,GS,+,N,G,D,I,D,+,N,N,+,u,GS,2,i,D,?,I,DO,(,?,1,),U,GS,(,th,),其中,I,DO,是,u,GS,=2U,GS(th),时的,i,D,N,型导电沟道

13、,耗尽层,P,型硅衬底,B,图,5.1.7(c),工作原理图,3.,特性曲线,i,D,/mA,可,变,电,阻,区,4,恒流区,6V,3,2,U,GS,=,5V,4V,3V,2V,击,穿,区,3,2,1,i,D,/mA,1,0,5,10,15,0,U,G,s(th),2,4,6,u,GS,/,V,夹断区,输出特性,转移特性,图,5.1.8,增强型,NMOS,管的特性曲线,二、,N,沟道耗尽型,MOS,管,1.,结构特点和工作原理,源极,S,栅极,G,漏极,D,D,正离子,N,+,N,+,SiO,2,B,G,S,N,型沟道,耗尽层,P,型硅衬底,衬底引线,B,符号,图,5.1.9 N,沟道耗尽型,

14、MOS,管结构示意图及符号,2.,特性曲线,i,D,/mA,4,3,2,1,U,GS,=,1V,0V,3,i,D,/mA,1,2V,3V,?,I,D,2,1,0,4,8,12,?,U,GS,0,3,2,1,1,U,G,s(off),转移特性,2,输出特性,耗尽型,NMOS,管的特性曲线,三、,P,沟道绝缘栅场效应管（,PMOS,）,U,DS,。,S,+,U,GS,+,P,G,D,I,D,N,+,PMOS,管与,NMOS,管,互为对偶关系，使用,时,U,GS,、,U,DS,的极性,也与,NMOS,管相反。,P,沟道,耗尽层,N,型硅衬底,B,P,+,PMOS,管结构示意图,1.,P,沟道增强型绝

15、缘栅场效应管,开启电压,U,GS(,th),为,负值，,U,GS,U,GS(,th),时导通。,i,D,/mA,D,G,B,U,GS(,th),0,符号,S,转移特性,2.,P,沟道耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压,U,GS,(off),为,正值，,U,GS,U,GS,(off),时导通。,注,:,场效应管的符号及,特性如图所示,D,B,S,0,i,D,/mA,U,GS,(off),G,转移特性,符号,1.4.3,场效应管的主要参数,一、直流参数,1.,开启电压,U,GS(th),指在一定的,U,DS,下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它,是增强型,MOS,管的参数，,NMOS,为正，,PMO

16、S,为负。,2.,夹断电压,U,GS(off),指在一定的,U,DS,下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。,10,是耗尽型,MOS,管的参数，,NMOS,管是负值，,PMOS,管是正值。,3.,饱和漏极电流,I,DSS,在,U,GS,=0,时，管子发生预夹断时的漏极电流。,4.,直流输入电阻,R,GS,（,DC,）,在,U,DS,=0,时，栅源电压与栅极电流的比值。结型管大于,10,7,?, MOS,管大于,10,9,?,。,二、交流参数,1.,低频跨导,g,m,g,m,=,?,i,D,/,?,u,GS,?,U,是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,由,PN,结的势垒

17、电容及分布电容构成。,DS,=,常数,2.,极间电容,C,gs,、,C,gd,、,C,ds,三、极限参数,另外，漏源极间的击穿电压,U,(BR)DS,、栅源极间的击穿电压,U,(BR)GS,以及漏极最大耗散功率,P,DM,、,最大漏极电流,I,DM,是管子的极,限参数，使用时不可超过。,1.4.4,场效应管应用举例,例,1.4.1,已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是,什么类型的场效应管。,i,D,/mA,10V,2,8V,1,6V,0,5,10,15,N,沟导增强型,MOS,管。,图,1.4.14,输出特性曲线,例,1.4.2,电路及管子的输出特性如图所示。使分析,u,I,为,0,

18、、,8V,和,10V,三种情况下,u,O,分别为几伏。,R,D,5k,+,+V,DD(+15V),+,i,D,/mA,10V,2,8V,6V,0,u,I,-,u,o,-,1,5,10,15,图,1.4.15,例,1.4.2,电路图,图,1.4.14,(,1,),当,u,GS,?,u,I,?,0,时，管子处于夹断状态,，因而,i,D,?,0,?,u,O,?,u,DS,?,V,DD,?,i,D,R,D,?,V,DD,?,15,V,(,2,),当,u,GS,?,u,I,?,8,V,时，管子工作在恒流区,的,i,D,?,1,mA,?,u,O,?,u,DS,?,V,DD,?,i,D,R,D,?,(,15

19、,?,1,?,5,),V,?,10,V,(,3,),当,u,GS,?,u,I,?,10,V,时，管子工作在可变电,阻区，等效电阻为,?,3,?,R,d,?,u,DS,/,i,D,?,?,?,?,3,k,?,?,3,?,?,1,?,10,?,R,ds,?,3,?,?,u,O,?,V,DD,?,?,?,15,?,V,?,5,.,6,V,R,ds,?,R,d,?,5,?,3,?,例,1.4.3,电路如图所示，场效应管的夹断电压,U,GS(off),=-4V,，饱和,漏极电流,I,DSS,=4mA,。试问：,为保证负载电阻,R,L,上的电流为恒流，,R,L,的取值范围应为多少？,从电路图可知，,u,GS,?,0,，因而,i,D,?,I,DSS,并且当,u,GS,?,0,时的预夹断电压为,u,DS,?,u,GS,?,U,GS,(,off,),?,0,?,(,?,4,),V,?,4,V,所以保证,R,L,上的电流为恒流的最大,输出电压,U,o,max,?,V,DD,?,4,V,?,8,V,，输出电压范围为,0,8,V,，,R,L,u,O,负载电阻得取值范围为,R,L,?,?,0,2,k,?,I,DSS,+V,(+1