第五章场效应管

1、1. NPN 型三极管型三极管 集电区集电区 集电结集电结 基区基区 发射结发射结 发射区发射区 N N 集电极集电极c 基极基极b 发射极发射极e 一、三极管的结构、一、三极管的结构、 分类和符号分类和符号 P e c b 三个区、两个结、三个极三个区、两个结、三个极 特点：基区薄，掺杂浓度低特点：基区薄，掺杂浓度低 发射区，掺杂浓度高发射区，掺杂浓度高 集电区，结面积大集电区，结面积大 可按频率、功率、材料、结构分类。可按频率、功率、材料、结构分类。 若按结构分类，可分为若按结构分类，可分为2种：种： EC RC IC UCE C E B UBE 共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路

2、三极管具有电流控三极管具有电流控 制作用的外部条件制作用的外部条件 : （1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置； （2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。 对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0 UBC VB VE 对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0 UCB 0 即即 VC VB VE 输出输出 回路回路 输入输入 回路回路 公公 共共 端端 EB RB IB 发射区向基区发射区向基区 注入电子注入电子 IE IB 电子在基区电子在基区 扩散与复合扩散与复合 集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICIC N P N 电

3、源负极向发射电源负极向发射 区补充电子形成区补充电子形成 发射极电流发射极电流IE 三极管的电流控制原理三极管的电流控制原理 VBB正极拉走电正极拉走电 子，补充被复子，补充被复 合的空穴，形合的空穴，形 成成 I IB B VCC RC VBB RB IEP IBN ICBO ICN IEN iC / mA uCE /V 0 放放 大大 区区 三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 IB= 0 A 20A 40 A 截止区截止区 60 A 80 A 饱和区饱和区 （2）截止区：）截止区：IB0的区域，两结反的区域，两结反 偏。严格说，偏。严格说，IE=0,即即ICICBO

4、的区域，管子基本不导电。的区域，管子基本不导电。 （1）放大区：发射结正偏，集电极）放大区：发射结正偏，集电极 反偏。特性曲线的平坦部分。反偏。特性曲线的平坦部分。 满足满足 有电流控制作用。有电流控制作用。 CEOBC III （3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴）饱和区：两结正偏，靠近纵轴 的区域。的区域。IB增加，增加，IC不再增加，不再增加， 不受不受IB的控制，的控制，IC只随只随UCE增加增加 而增加。而增加。 UCE=UBE称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压降称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压降UCES很小。很小。 临界饱和的估算临界饱和的估算：三个工作区的分析：三个工作区的分析 例

5、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，各晶体管所示，各晶体管b-e见开启电压见开启电压Uon均为均为0.5V。 试分别说明各管子的工作状态。试分别说明各管子的工作状态。 晶体管晶体管 基极直流电位基极直流电位UB/V 发射极直流电位发射极直流电位UE/V 集电极直流电位集电极直流电位UC/V 工作状态工作状态 T1T2T3T4 0.7 0.3 1-10 0 50.7 -1.7 0 0 15 对对NPN管，管， 当当UBEUon时，管子截止；时，管子截止； 当当UBE Uon且且UCE UBE (或或UC UB)，管

6、子放大；，管子放大； 当当UBE Uon且且UCE UBE (或或UC UB)，管子饱和。，管子饱和。 放大放大放大放大饱和饱和截止截止 5.1 场效应管 增强型增强型 E型型 耗尽型耗尽型 D型型 N沟道沟道 P沟道沟道 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） 场效应管场效应管 (FET) 结结 型型 (JFET) 绝缘栅型绝缘栅型 (MOSFET) 特点：特点： 分类：分类： 体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，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，制造工艺噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺 简单。尤其

7、简单。尤其MOS管在大规模和超大规模集成电管在大规模和超大规模集成电 路中占有重要地位。路中占有重要地位。 一、工作原理和结构一、工作原理和结构 P+P+ 漏极漏极D ID 栅极栅极G 源极源极S G S D 1、结构：、结构： 在在N型硅棒两端加上型硅棒两端加上 一定极性的电压，多子在一定极性的电压，多子在 电场力的作用下形成电流电场力的作用下形成电流 ID。在。在N型硅棒两侧做成型硅棒两侧做成 两个高浓度的两个高浓度的P+区，并将区，并将 其连在一起，如图。若将其连在一起，如图。若将 G、S间加上不同的反偏电间加上不同的反偏电 压，即可改变导电沟道的压，即可改变导电沟道的 宽度，便实现了利

8、用电压宽度，便实现了利用电压 所产生的电场控制导电沟所产生的电场控制导电沟 道中电流强弱的目的。道中电流强弱的目的。 N 图图5.1.1 N沟道沟道 2、工作原理、工作原理 （1）D、S间短路，间短路，G、S间加反向电压间加反向电压 P+P+ D G S N UGS UGS 增大，耗尽层加宽，导电增大，耗尽层加宽，导电 沟道变窄，电阻加大，当沟道变窄，电阻加大，当UGS加加 大到一定值时，两侧的耗尽区几乎碰大到一定值时，两侧的耗尽区几乎碰 上，导电沟道仿佛被夹断，上，导电沟道仿佛被夹断，D、S间电间电 阻趋于无穷大。阻趋于无穷大。 此时，此时， UGS =UGS(off)夹断电压夹断电压 当当

9、 UGS UGS(off) 后，耗后，耗 尽区无明显变化，太大会出现击穿。尽区无明显变化，太大会出现击穿。 由于由于PN结反偏，栅极电流基本为结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。一般不用正偏。，消耗很小。一般不用正偏。 图图5.1.2 （2） G 、S间短路，间短路， D 、S间加正向电压间加正向电压 P+P+ D G S UDS R 随随UDS ，ID 。由于电压降，靠近。由于电压降，靠近D极极 U GD反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越 窄，呈现楔型。窄，呈现楔型。 当当UDS = UGS(off) ,即即UGD =UGS(off) 时，在漏极两侧的耗尽区开始

10、合拢，称时，在漏极两侧的耗尽区开始合拢，称 为为预夹断预夹断。 UDS，预夹断预夹断区变长，区变长， UDS的增加部分的增加部分 落在落在预夹断预夹断区，导电沟道内的区，导电沟道内的ID基本不变。基本不变。 （3） G 、S间加负电压，间加负电压， D 、S间加正向电压间加正向电压 P+P+ UDS R UGS G、S的负电压使耗尽区变宽，导电沟的负电压使耗尽区变宽，导电沟 道变窄；道变窄；D、S间的正电压使耗尽区和导间的正电压使耗尽区和导 电沟道不等宽。电沟道不等宽。 当当UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即，即 UDS= UGS-UGS(off)时时，发生预夹断，此后，发生预夹断，

11、此后 UDS ， ID基本不变。基本不变。 图图5.1.3 二、特性曲线及电流方程二、特性曲线及电流方程 1、漏极特性曲线（输出特性曲线）、漏极特性曲线（输出特性曲线） 4 3 2 1 0 4812 2V 3V 图图5.1.5 转移特性转移特性 1 2 3 UGS = 0V 1 0 12 123 uGS / V ID UGS UGs(off) uDS / V UDS =10V iD /mA iD /mA 恒恒 流流 区区 可变可变 电阻区电阻区 夹断区夹断区 UGS = 常数常数 iD = f (uDS ) 预夹断预夹断 轨迹轨迹 GS D m u i g 低频跨导：低频跨导： 图图5.1.4

12、 场效应管的输出特性场效应管的输出特性 (1) 可变电阻区可变电阻区 iD几乎与几乎与uDS成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻 可看作一个受栅源电压可看作一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。控制的可变电阻。 (2) 恒流区（饱和区）恒流区（饱和区） iD的大小受的大小受uGS控制。饱和区与可变电阻区的分界线为控制。饱和区与可变电阻区的分界线为 uDS= uGS-UGS(off)。 (3) 夹断区夹断区 uGSUGS(off)，沟道被夹断，沟道被夹断，iD0 2、转移特性曲线、转移特性曲线 UDS = 常数常数 iD = f (uGS ) 2 )( )1

13、 ( offGS GS DSSD U u Ii)0( )( GSoffGS uU SiO2 N沟道增强型沟道增强型MOS管结构示意图及符号管结构示意图及符号 P型硅衬底型硅衬底 源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线B N+N+ D B S G 符号符号 1. 结构和符号结构和符号 一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS管管四种类型：四种类型： N沟道增强型；沟道增强型；N沟道耗尽型；沟道耗尽型； P沟道增强型；沟道增强型； P沟道耗尽型。沟道耗尽型。 图图5.1.6 SiO2 图图5.1.7(a) 工作原理图工作原理图 P型硅衬底型硅衬底 耗尽层耗尽层 衬底引线衬底引线B N+N+

14、SGD UDS ID = 0 D与与S之间是两个之间是两个 PN结反向串联，结反向串联， 无论无论D与与S之间加之间加 什么极性的电压，什么极性的电压， 漏极电流均接近漏极电流均接近 于零。于零。 2. 工作原理工作原理 P型硅衬底型硅衬底 N + + B SGD 。 耗尽层耗尽层 ID = 0 由柵极指向衬底方由柵极指向衬底方 向的电场排斥向的电场排斥 P 区区 空穴向下移动空穴向下移动,在在P 型硅衬底的上表面型硅衬底的上表面 形成耗尽层仍然没形成耗尽层仍然没 有漏极电流。有漏极电流。 UGS N+N+ UDS 图图5.1.7(b) 工作原理图工作原理图 P型硅衬底型硅衬底 N + + B

15、 SGD 。 UDS 耗尽层耗尽层 ID 栅极下栅极下P型半导体中型半导体中 少子被吸引内至其表少子被吸引内至其表 面，形成面，形成N型导电沟型导电沟 道道反型层反型层，当，当D、S 加上正向电压后可产加上正向电压后可产 生漏极电流生漏极电流ID 。 N+N+ UGS 增强型增强型MOS管的管的iD与与uGS的的 近似关系为：近似关系为： 2 )( ) 1( thGS GS DOD U u Ii 其中其中IDO是是uGS=2UGS(th)时的时的iD 图图5.1.7(c) 工作原理图工作原理图 N型导电沟道 4 3 2 1 0 5 10 15 UGS =5V 6V 4V 3V 2V iD /m

16、A UDS =10V 图图5.1.8 5.1.8 增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0 1 2 3 恒流区恒流区 击穿区击穿区 可变电阻区可变电阻区 246 uGS / V 3. 特性曲线特性曲线 UGs(th) 输出特性输出特性 转移特性转移特性 uDS / V iD /mA 夹断区夹断区 二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 P型硅衬底型硅衬底 源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G 衬底引线衬底引线B 耗尽层耗尽层 1. 结构特点和工作原理结构特点和工作原理 N+N+ 正离子正离子 N N型沟道型沟道 SiO2 D B S G 符号符号 图图5.1.9 N沟道耗尽型沟

17、道耗尽型MOSMOS管管结构示意图及符号结构示意图及符号 4 3 2 1 0 4812 UGS =1V 2V 3V 输出特性输出特性 转移特性转移特性 耗尽型耗尽型NMOS管的特性曲线管的特性曲线 1 2 3 0V 1 0 12 123 uGS / V 2. 特性曲线特性曲线 ID UGS UGs(off) uDS / V UDS =10V iD /mA iD /mA N型硅衬底型硅衬底 N + + B S G D 。 耗尽层耗尽层 PMOS管结构示意图管结构示意图 P沟道沟道 三、三、P沟道绝缘栅场效应管（沟道绝缘栅场效应管（PMOS） PMOS管与管与NMOS管管 互为对偶关系，使用互为对

18、偶关系，使用 时时UGS 、UDS的极性的极性 也与也与NMOS管相反。管相反。 P+ P+ UGS UDS ID 1. 1. P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管 开启电压开启电压UGS(th)为为 负值，负值，UGS UGS(th) 时导通。时导通。 S G D B 符号符号 iD /mA uGS / V 0 UGS(th) 转移特性转移特性 2. 2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管 D B S G 符号符号 iD /mA uGS /V 0 UGS(off) 转移特性转移特性 夹断电压夹断电压UGS(off)为为 正值，正值， UGS UGS(off)

19、时导通。时导通。 注注: 场效应管的符号及场效应管的符号及 特性如图所示特性如图所示 在在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值。结型管大于时，栅源电压与栅极电流的比值。结型管大于 107 , MOS管管大于大于109 。 1. 开启电压开启电压UGS(th) 指在一定的指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它 是增强型是增强型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，为正，PMOS为负。为负。 2. 夹断电压夹断电压 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电

20、压。 是耗尽型是耗尽型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是负值，管是负值，PMOS管是正值。管是正值。 4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS（ （DC） 一、直流参数一、直流参数 3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 在在UGS =0时，管子发生预夹断时的漏极电流。时，管子发生预夹断时的漏极电流。 10 另外，漏源极间的击穿电压另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压、栅源极间的击穿电压 U(BR)GS以及漏极最大耗散功率以及漏极最大耗散功率PDM、 、最大漏极电流 最大漏极电流IDM是管子的极是管子的极 限参数，使用时不可超过。限参数，使用时不可超过。 gm= iD

21、/ uGS UDS =常数常数 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。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。 1. 低频跨导低频跨导 gm 二、交流参数二、交流参数 2. 极间电容极间电容Cgs、Cgd、Cds 由由PN结的势垒电容及分布电容构成。结的势垒电容及分布电容构成。 三、极限参数三、极限参数 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。什么类型的场效应管。 2 1 0 5 10 15 10V 8V 6V uDS / V iD /mA N沟导增强型沟导增强型MOS管

22、。管。 图图1.4.14 输出特性曲线输出特性曲线 例例1.4.2 电路及管子的输出特性如图所示。使分析电路及管子的输出特性如图所示。使分析uI为为0、8V 和和10V三种情况下三种情况下uO分别为几伏。分别为几伏。 2 1 0 5 10 15 10V 8V 6V uDS / V iD /mA +VDD(+15V) RD 5k uo + - uI + - - 图图1.4.15 例例1.4.2电路图电路图图图1.4.14 VVV RR R u kiuR Vuu DD dds ds O DDSd IGS 6 . 515 35 3 3 101 3 / 10)3( 3 阻区，等效电阻为时，管子工作在可

23、变电当 VVRiVuu iuu DDDDDDDSO DIGS 15 , 00) 1 ( ，因而时，管子处于夹断状态当 VVRiVuu mAiVuu DDDDDSO DIGS 10)5115( ,18)2( 的时，管子工作在恒流区当 例例1.4.3 电路如图所示，场效应管的夹断电压电路如图所示，场效应管的夹断电压UGS(off)=-4V，饱和，饱和 漏极电流漏极电流IDSS=4mA。试问：。试问： 为保证负载电阻为保证负载电阻RL上的电流为恒流，上的电流为恒流，RL的取值范围应为多少？的取值范围应为多少？ +VDD(+12V) RL uo k I u R VVVVU R VVUuu u mAIiu DSS O L DDo L offGSGSDS GS DSSDGS 20 8084 4)4(0 0 4 0 max )( 负载电阻得取值范围为 ，输出电压范围为 输出电压上的电流为恒流的最大所以保证 时的预夹断电压为并且当 。，因而从电路图可知， 图图1.4.16 例例1.4.3电路图电路图 场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极、源极s s、漏极、漏极d d对应于晶体管的基极对应于晶体管的基极b b、 发射极发射极e e、集电极、集电极c c，能实现对信号的控制；，能实现对信号的控制； 不同之处：不同之处： 1 1、MOSFETMOSFE