场效应管2014

1、1第一章第一章 半导体器件概述半导体器件概述 1.2 半导体三极管半导体三极管 1.3 半导体场效应管半导体场效应管 1.3.1 1.3.1 结型场效应管结型场效应管 1.3.2 1.3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 1.4 集成运算放大器集成运算放大器 1.4.1 1.4.1 集成运放的基本特性集成运放的基本特性 1.4.2 1.4.2 理想运放理想运放 21.3 半导体场效应管半导体场效应管FETFET与与BJTBJT的区别的区别1. BJT1. BJT是是电流控制元件电流控制元件；FETFET是是电压控制元件电压控制元件。2. BJT2. BJT参与导电的是参与导电的是电子电子空穴空

2、穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； FETFET是电压控制元件，参与导电的只有是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子， 因此称其为单级型器件。因此称其为单级型器件。3. BJT3. BJT的的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般10102 2-10-104 4 ； FETFET的的输入电阻高输入电阻高，可达，可达10109 9-10-101414 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETJFETMOSMOS型场效应管型场效应管MOSFETMOSFET3 晶体三极管又称为双极型三极管，简记为晶体三极管又称为双极型三极管，简记为BJTBJT（Bipo

3、1ar Junction TransistorBipo1ar Junction Transistor） 场效应管场效应管FETFET（Field Effect TransistorField Effect Transistor） 结型场效应三极管结型场效应三极管JFET(Junction type JFET(Junction type FET) FET) 绝缘栅型场效应管也称金属绝缘栅型场效应管也称金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体场效应管场效应管MOSFET MOSFET ，简称为，简称为MOSMOS管管 (Metal-Oxide-Semiconductor type FET)(Met

4、al-Oxide-Semiconductor type FET) MOS MOS管有管有NMOSNMOS、PMOSPMOS、CMOSCMOS41.3.1 结型场效应管JFET结型场效应管的分类结型场效应管的分类结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线5 JFETJFET分类分类可分为可分为N N沟道和沟道和P P沟道两种，沟道两种，输入电阻约为输入电阻约为10107 7 。6N基底基底 ：N N型半导体型半导体PP两边是两边是P P区区G(G(栅极栅极) )S S源极源极D D漏极漏极u 结构结构导电沟道导电沟

5、道7NPPG G( (栅极栅极) )S S 源极源极D D 漏极漏极N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS8PNNG G( (栅极栅极) )S S 源极源极D D 漏极漏极P P 沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS9u 工作原理（以工作原理（以P P 沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPNPN结反偏，结反偏，U UGSGS越越大则耗尽区越宽，大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。导电沟道越窄。10PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNU UGSGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当U UGS

6、GS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DSDS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。11PGSDUDSUGSNNUDS=0时时U UGSGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压U UP P）, ,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DSDS间间被夹断，被夹断，这时，即使这时，即使U UDS DS 0V0V，漏极电流漏极电流I ID D=0A=0A。ID12PGSDUDSUGSU UGSGSUUp p且且U UDSDS 0 0、U UGDGDUUP P时耗尽时耗尽区的形状区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PNPN结反压越大结反压越大ID13PGSDUD

7、SUGSU UGSGSUUp p且且U UDSDS较大时较大时U UGDGDUUP P时耗时耗尽区的形状尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID14GSDUDSUGSU UGSGSUUp p U UGDGD=U=UP P时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为预夹断。预夹断。U UDSDS增大则被夹断区增大则被夹断区向下延伸。向下延伸。ID15GSDUDSUGSU UGSGSUUUP P时时NN此时，电流此时，电流I ID D由未由未被夹断区域中的载被夹断区域中的载流子形成，基本不流子形成，基本不随随U UDSDS的增加而增加，

8、的增加而增加，呈恒流特性。呈恒流特性。ID16 当当U UGSGS=0=0时，时，沟道较宽沟道较宽，在，在U UDSDS的作用下的作用下P P沟道内的空沟道内的空穴定向运动形成漏极电流穴定向运动形成漏极电流I ID D。 当当U UGSGS00时，时，PNPN结反偏，结反偏，PNPN结加宽，漏源间的结加宽，漏源间的沟道将沟道将变窄变窄，I ID D将减小将减小， 当当U UGSGS继续向正方向增加，沟道继续变窄，继续向正方向增加，沟道继续变窄，I ID D继续减继续减小直至为小直至为0 0。 当当漏极电流为零漏极电流为零时所对应的时所对应的栅源电压栅源电压U UGSGS称为称为夹断电夹断电压压

9、U UP P。 JFETJFET工作原理工作原理17u 特性曲线特性曲线UGS0IDIDSSUP饱和漏极电流饱和漏极电流夹断电压夹断电压转移特性曲线转移特性曲线一定一定U UDSDS下的下的I ID D-U-UGSGS曲线曲线18预夹断曲线预夹断曲线IDU DS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区可变电阻区夹断区夹断区恒流区恒流区输出特性曲线输出特性曲线019N N沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSUP20输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN N沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管

10、的特性曲线21 N N沟道沟道JFETJFET特性曲线特性曲线UP转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线22 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达10107 7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. 3. 栅源极间的栅源极间的PNPN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. 2. 在高温下，在高温下，PNPN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

11、显著下降。231.3.2 MOSFET1.3.2 MOSFET增强型增强型MOSFETMOSFET耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET24 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极DD集电极集电极C源极源极SS发射极发射极E栅极栅极GG基极基极B B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOSMOS管管25 当当U UGSGS较小较小时，虽然在时，虽然在P P型衬底型衬底表面形成一层表面形成一层耗尽层耗尽层，但负离，但负离子不能导电。子不能导电。 当当U UGSGS=U=U

12、T T（开启电压）时（开启电压）时, , 在在P P型衬底表面形成一层型衬底表面形成一层电子电子层层，形成，形成N N型导电沟道，在型导电沟道，在U UDSDS的作用下形成的作用下形成I ID D。UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型层反型层 当当U UGSGS=0V=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PNPN结，无论结，无论U UDSDS之间加上电压不会在之间加上电压不会在D D、S S间形成电流间形成电流I ID D, ,即即I ID D0.0. 当当U UGSGSUUT T时时, , 沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同U U

13、DSDS的作的作用下，用下，I ID D将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，开始无导电沟道，当在当在U UGSGS U UT T时才形时才形成沟道成沟道, ,这种类型的管这种类型的管子称为子称为增强型增强型MOSMOS管管26 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线 I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，在恒流区，I ID D与与U UG

14、SGS的关系为的关系为其中，其中，I IDODO定义为定义为U UGSGS= 2U= 2UGS(th)GS(th)时的漏极电流时的漏极电流2TGSDOD) 1UU(IIIDO27 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线1.1.可变电阻区可变电阻区： I ID D与与U UDSDS的关系近的关系近似似线性线性关系关系 当当U UGSGS变化时，变化时，R R

15、ONON=U=UDSDS/I/ID D将随之变化，因此称之为将随之变化，因此称之为可变电阻区可变电阻区当当U UGSGS一定时，一定时，R RONON近似为一常数，因此又称之为近似为一常数，因此又称之为恒恒阻区阻区282. 2. 恒流区恒流区： 该区内，该区内，U UGSGS一定，一定，I ID D基本不随基本不随U UDSDS变化而变变化而变3.3.击穿区击穿区： U UDSDS 增加到某一增加到某一值时，值时，I ID D开始剧增而开始剧增而出现击穿。出现击穿。 当当U UDSDS 增加到某增加到某一临界值时，一临界值时，I ID D开始开始剧增时剧增时U UDSDS称为漏源击称为漏源击穿

16、电压。穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=2VID(mA)预夹断预夹断29 漏源电压漏源电压U UDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当当U UDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当 U UGDGDU UT T，此时此时U UDSDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在分布。在U UDSDS作用下形成作用下形成I ID D30 当当U UDSDS增加到使增加到使U UGDGD= =U UT T时时， 当当U UDSDS增加到增加到U

17、 UGDGD U UT T时，时， 这相当于这相当于U UDSDS增加使漏极处沟道缩增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的此时的漏极电流漏极电流I ID D 基本饱和基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极。极。 U UDSDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上，I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。3132 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOSMOS管存在管存

18、在原始导电沟道原始导电沟道33 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当U UGSGS=0=0时，时，U UDSDS加正向电压，产生漏极电流加正向电压，产生漏极电流I ID D, ,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用I IDSSDSS表示表示当当U UGSGS0 0时，将使时，将使I ID D进一步增加进一步增加。当当U UGSGS0 0时，随着时，随着U UGSGS的减小漏极电流逐渐的减小漏极电流逐渐减小减小。直至。直至I ID D=0=0。对应。对应I ID D=0=0的的U UGSGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用

19、符号U UP P表示。表示。UGS(V)ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管特性曲线特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UPID IDSS(1- UGS /UP)2常用关系式：常用关系式：34 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在U UGSGS00UGS=6VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUDS(V)ID(mA) 35各类绝缘栅场效应三极

20、管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N N沟沟道道增增强强型型P P沟沟道道增增强强型型U UT T36绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P 沟沟道道耗耗尽尽型型UP371.3.3 1.3.3 场效应管的主要参数及电路模型场效应管的主要参数及电路模型直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数1. 1. 主要参数主要参数382. 2. 夹断电压夹断电压U UP P(U(UGS(off)GS(off) ) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FETFET的参数，当的参数，当U UGSGS= =U UP P 时时, ,漏极电流为零。漏极

21、电流为零。1. 1. 开启电压开启电压U UT T (U(UGS(th)GS(th) ) 开启电压是开启电压是MOSMOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值, ,场效应管不能导通。场效应管不能导通。直流参数直流参数393. 3. 饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当U UGSGS=0=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。直流参数直流参数4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压U UGSGS与流过栅极电流与流过栅极电流I IGSGS之比。之比。结型场效应三极管，反偏时结型场效应三极管，反偏时R RGSGS约大于约大于10107 7，绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管R RGSGS约是约是10109 910101515。401. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM管子正常工作时允许的最大漏极电流管子正常工作时允许的最大漏极电流3. 3. 漏源击穿电压漏源击穿电压U U(BR)DS(BR)DS使使I ID D开始剧增产生击穿时的开始剧增产生击穿时的U UDSDS。4.4.栅源击穿电压栅源击穿电压U U(BR)GS(BR)GSJFETJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和