场效应晶体管ppt课件

1、场效应晶体管场效应管的特点结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管场效应晶体管简称场效应管，用场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示来表示 （Field Effect Transistor）。）。一、绝缘栅场效应管一、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是一种金属绝缘栅场效应管是一种金属氧化物氧化物半导体场效半导体场效应管，简称应管，简称MOS管。管。MOS管按管按工作工作方式方式分类分类增强型增强型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（一（一N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理NNb-衬底引线衬底

2、引线sgdP衬底衬底bSiO2绝绝缘层缘层g-栅极栅极S-源极源极d-漏极漏极N型区型区ggssddbb箭头方向是区别箭头方向是区别N沟道与沟道与P沟道的标志沟道的标志N沟道沟道P沟道沟道铝铝2.工作原理工作原理（1感生沟道的形成感生沟道的形成在电场的作用下，可以把在电场的作用下，可以把P型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥掉，形成空间电荷区。掉，形成空间电荷区。当当uGS增加到某一临界电压增加到某一临界电压(UT)值时，吸引足够多的电子，在值时，吸引足够多的电子，在P型半型半导体的表面附近感应出一个导体的表面附近感应出一个N型层型层,形成反型层形成反型层漏

3、源之间的导电沟道。漏源之间的导电沟道。 开始形成反型层的开始形成反型层的uGS称为开启电压称为开启电压(UT)。uGS越高，电场越强，越高，电场越强，感应的电子越多，沟道就越宽。感应的电子越多，沟道就越宽。uGSgb自由电子自由电子反型层反型层耗尽区耗尽区绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏而控制漏-源极间电流的大小。源极间电流的大小。栅极和源极之间加正向电压栅极和源极之间加正向电压耗尽区耗尽区铝铝SiO2衬底衬底 P型硅型硅gbuGS受主离子受主离子空穴空穴（2栅源电压栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作的

4、控制作用用在栅源电压在栅源电压uGS=0时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向向PN结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，iD0。增大增大VGG，使，使uGS=UT时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，沟道内的多子电子产生漂移运动，形成漏极电流沟道内的多子电子产生漂移运动，形成漏极电流iD。uGS变变大大iD变大变大沟道宽度变宽沟道宽度变宽沟道电阻变小沟道电阻变小NNVDDVGGsdbgiDPN沟道沟道uGSUT时才能形成导电沟道时才能形成导电沟道uG

5、S对对iD的控制作用：的控制作用：（3漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流iD的影响的影响uGSUT 时，沟道形成。当时，沟道形成。当uDS较小，即较小，即uGDUT时，沟道宽度受时，沟道宽度受uDS的影响很小，沟道电阻近似不变，的影响很小，沟道电阻近似不变，iD随随uDS的增加呈线性增加。的增加呈线性增加。当当uDS增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变窄。随着变窄。随着uDS增大，沟道电阻迅速增大，增大，沟道电阻迅速增大，iD不再随不再随uDS线性增大。线性增大。继续增大继续增大uDS ，则，则uGD UTu

6、GD=UTuGDUT，uDS很小，很小，uGDUT的情况。的情况。若若uGS不变，沟道电阻不变，沟道电阻rDS不变，不变，iD随随uDS的增大的增大而线性上升。而线性上升。uGS变大，变大， rDS变小，看变小，看作由电压作由电压uGS控制的可变电控制的可变电阻。阻。TGSGDGSDSTDSGSGDUuuuuUuuu 截止区截止区该区对应于该区对应于uGSUT的情况的情况由于没有感生沟道，故电流由于没有感生沟道，故电流iD0，管子处于截止状态。，管子处于截止状态。2 4 6 8 101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2 恒流区饱和区）恒流区饱和区）区对应区对应

7、 预夹断后，预夹断后，uGSUT，uDS很大，很大，uGDUT）其中其中K为常数，由管子结构决定，可以估算出来。为常数，由管子结构决定，可以估算出来。UT（三（三N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的主要参数管的主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数910 1.直流参数直流参数（2直流输入电阻直流输入电阻RGS（1开启电压开启电压UT在衬底表面感生在衬底表面感生出导电沟道所需出导电沟道所需的栅源电压。实的栅源电压。实际上是在规定的际上是在规定的uDS条件下，增条件下，增大大uGS，当，当iD达达到规定的数值时到规定的数值时所需要的所需要的uGS值。值。在在uDS=0的条件

8、的条件下，栅极与源下，栅极与源极之间加一定极之间加一定直流电压时，直流电压时，栅源极间的直栅源极间的直流电阻。流电阻。RGS的值很大，一的值很大，一般大于般大于 。常数DSGSDm uuig2.交流参数交流参数定义：当定义：当uDS一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源电压变化量之比，即电压变化量之比，即gm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导数得到。数得到。（2极间电容：栅、源极间电容极间

9、电容：栅、源极间电容Cgs和栅、漏极间和栅、漏极间电容电容Cgd，它影响高频性能的交流参数，应越小越，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。好。（1跨导跨导gm3.极限参数极限参数是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指管子允许的最大耗散功率，是指管子允许的最大耗散功率，相当于双极型晶体管的相当于双极型晶体管的PCM。DSDDMuiP2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（1漏极最大允许电流漏极最大允许电流IDM（2漏极最大耗散功率漏极最大耗散功率PDMDMI在输出特性上画出临界最大功耗在输出特性上画出临界

10、最大功耗线。线。是指在是指在uDS=0时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流所需的路电流所需的uGS值。击穿将会损坏管子。值。击穿将会损坏管子。是指在是指在uDS增大时，使增大时，使iD开始急剧开始急剧增加的增加的uDS值。值。（3栅源极间击穿电压栅源极间击穿电压U(BR)GS（4漏源极间击穿电压漏源极间击穿电压U(BR)DSU(BR)DS此时不仅产生沟道中的电子参与导此时不仅产生沟道中的电子参与导电，空间电荷区也发生击穿，使电电，空间电荷区也发生击穿，使电流增大。流增大。DMI2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)

11、iD(mA)3（四（四N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管1.工作原理工作原理VDDNNsgdbPiDN沟道沟道结构示结构示意图意图SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。绝缘层中掺入大量的正离子。P衬底表面已经出现反型层，存在导衬底表面已经出现反型层，存在导电沟道。电沟道。在在uGS=0时时当当uGS0时时感生沟道加宽，感生沟道加宽，iD增大。增大。感生沟道变窄，感生沟道变窄，iD减小。减小。当当uGS达到某一负电压值达到某一负电压值UP时，抵时，抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消了由正离子产生的电场，导电沟道消失，消失，iD0，UP称为夹断电压。称为夹断电压。当当uGS0时时DSDDMuiPsgd

12、b符号符号PGSDSUuu 输出特性输出特性转移特性转移特性2 4 6 8 101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.特性曲线特性曲线预夹断轨迹方程：预夹断轨迹方程：2PGSDSSD1）（UuIi转移特性曲线方程：转移特性曲线方程：其中其中IDSS是是uGS=0时的时的iD值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。3.主要参数主要参数实际测量时，是在规定的实际测量时，是在规定的uDS条件下，使条件下，使iD减小到规定减小到规

13、定的微小值时所需的的微小值时所需的uGS值。值。该电流为该电流为uDS在恒流在恒流区范围内，且区范围内，且uGS=0v时的时的iD值，亦称饱和值，亦称饱和漏极电流。漏极电流。（1夹断电压夹断电压UP是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。（2零偏漏极电流零偏漏极电流IDSS它反映了零栅压时原始它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。沟道的导电能力。iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V二、结型场效应管二、结型场效应管JFET(Junction Field Effect Transistor)两个两个P+区中间的

14、区中间的N型半导体，在加上正向型半导体，在加上正向uDS电压时就有电流流过，故称为电压时就有电流流过，故称为N沟道。沟道。S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NPS-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP当当uGS=0时，就有导电沟道存在，故而这种管时，就有导电沟道存在，故而这种管子也属于耗尽型场效应管。子也属于耗尽型场效应管。sdgVDDVGGP沟道沟道uGSuDSiDNsgdN沟道结型场效应管沟道结型场效应管sdgVGGPuGS改变改变uGS的大小，就可的大小，就可以改变沟道宽窄，即改以改变沟道宽窄，即改变沟道的电阻，从而控变沟道的电阻，从而控制制iD的大小。这与绝缘的大小。这与绝缘栅场效应

15、管是一样的。栅场效应管是一样的。dN沟沟道道空间电荷区空间电荷区sgPuGS=0sdgVGGPuGSUPuGSUPuGD=UPuGDUPuDS对导电沟道的影对导电沟道的影响响VGGsdgVDDsdgVDDVGG随着随着uDS增大，增大，PN结加宽，将产结加宽，将产生预夹断。生预夹断。UP0，则两个，则两个PN结是正结是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏管子。坏管子。IDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲线特性曲线三、场效应管的特点三、场效应管的特点场效应管与双极型

16、晶体管相比：场效应管与双极型晶体管相比：（场效应管中，导电过程是多数载流子的漂移（场效应管中，导电过程是多数载流子的漂移运动，故称为单极型晶体管；双极型晶体管中既有运动，故称为单极型晶体管；双极型晶体管中既有多子的扩散运动又有少子的漂移运动。多子的扩散运动又有少子的漂移运动。（场效应管是通过栅极电压（场效应管是通过栅极电压uGS来控制漏极电流来控制漏极电流iD，称，称为电压控制器件；双极型晶体管是利用基极电流为电压控制器件；双极型晶体管是利用基极电流iB或射极或射极电流电流iE来控制集电极电流来控制集电极电流iC，称为电流控制器件。，称为电流控制器件。（场效应管的输入电阻很大；晶体管的输入电（

17、场效应管的输入电阻很大；晶体管的输入电阻较小。阻较小。注意：注意：MOS管在使用时应避免悬空，保存管在使用时应避免悬空，保存不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁外壳要可靠接地。外壳要可靠接地。s sg gd dR RDZ1DZ1DZ2DZ2栅极过压保护电路栅极过压保护电路当电压过高时，将有一个稳压当电压过高时，将有一个稳压管击穿稳压，限制了管击穿稳压，限制了uGS的增的增大，起到保护管子的作用。大，起到保护管子的作用。（场效应管的跨导（场效应管的跨导gm的值较小，双的值较小，双极型晶体管的极型晶体管的值很大。在同等条件下，值很大。在同等条件下，场效应管的放大

18、能力不如晶体管高。场效应管的放大能力不如晶体管高。（结型场效应管的漏极和源极可以（结型场效应管的漏极和源极可以互换使用，互换使用，MOS管如果衬底没有和源极管如果衬底没有和源极接在一起，也可将接在一起，也可将d、s极互换使用；极互换使用；双级型晶体管的双级型晶体管的c和和e极互换则称为倒极互换则称为倒置工作状态，此时置工作状态，此时将变得非常小。将变得非常小。（6场效应管可作为压控电阻使用。场效应管可作为压控电阻使用。(7场效应管是依靠多子导电，场效应管是依靠多子导电，因此具有较好的温度稳定性、因此具有较好的温度稳定性、抗辐射性和较低的噪声。抗辐射性和较低的噪声。由图可见，不同温度下的转移由图

19、可见，不同温度下的转移特性的交点特性的交点Q即工作点的即工作点的ID、UDS几乎不受温度影响。几乎不受温度影响。晶体管的温度稳定性差，抗辐晶体管的温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。射及噪声能力也较低。Q+125+25T= -55iD(mA)uGS(V)uDS=10V场效应管还有一些缺点：如功率小，速度慢等。但由于场效应管还有一些缺点：如功率小，速度慢等。但由于它工艺简单，易于集成，故广泛应用于集成电路。它工艺简单，易于集成，故广泛应用于集成电路。NoImage本本 节节 要要 点点1. N沟道增强型沟道增强型MOS管管场效应管是利用栅场效应管是利用栅-源极外加电压源极外加电压uGS产生的电

20、场效应来改变产生的电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流源极间电流iD的大小，可将的大小，可将iD看作由电压看作由电压uGS控制的电流源。控制的电流源。2 4 6 8 101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V1 2 3 4 56UT输出特性输出特性转移特性转移特性场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。它的主要参数有它的主要参数有gm、UT或或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和极间电容。和极间电容。输输出出特特

21、性性转转移移特特性性2 4 6 8 101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管3. N沟道结型场效应管沟道结型场效应管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPIDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234NoImage本本 章章 小小 结结本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、双极型晶体管半导体二

22、极管、双极型晶体管BJT和场效应和场效应管管FET的工作原理、特性曲线和主要参数。的工作原理、特性曲线和主要参数。一、一、PN结结在本征半导体中掺入不同杂质就形成在本征半导体中掺入不同杂质就形成N型半导体型半导体与与P型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，从而实现导电性能的可控性。变其导电性，从而实现导电性能的可控性。1. 杂质半导体杂质半导体将两种杂质半导体制作在同一个硅片或锗片上，将两种杂质半导体制作在同一个硅片或锗片上，在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，从而形成平衡，从而形成

23、PN结。结。正确理解正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。器件的特性和参数。2. PN结结载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。二、半导体二极管二、半导体二极管一个一个PN结经封装并引出电极后就构成二极

24、管。结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。值很小；体现出单向导电性。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管。结击穿时的特性可制成稳压二极管。IF、IR、UR和和fM是二极管的主要参数。是二极管的主要参数。三、晶体管三、晶体管晶体管具有电流放大作用。晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少