第7 场效应管补充知识

1、1绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorTransistor，缩写为，缩写为MOSFET MOSFET 场效应管是的外型与晶体

2、管（三极管）相似，但它场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：2绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理2SiODSGBNNAl栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底结构图结构图 它是以它是以块掺杂浓度较低的块掺杂浓度较低的P P型硅半导体作为衬底、利型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N N+ +型区，同时在型区，同时在P P型型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属

3、导线引出三个金属导线引出三个电极，分别作为源极电极，分别作为源极(S)(S)、漏极、漏极(D)(D)和栅极（和栅极（G G）。）。S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图3绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 基本上不需要信号源提供电流基本上不需要信号源提供电流 输入阻抗很高（可达输入阻抗很高（可达10109 910101515） 受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；简单、便于集成化等； 只有多数载流子参与导电，所以又称其为单只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管极性晶体管

4、4绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理场效应管的分类场效应管的分类 按封装形式分：塑料封装和金属封装按封装形式分：塑料封装和金属封装 按功率大小分：小功率、中功率和大功率按功率大小分：小功率、中功率和大功率 按频率特性分：低频管、中频管和高频管按频率特性分：低频管、中频管和高频管 按结构特点分：结型（按结构特点分：结型（JFETJFET）和绝缘栅型（）和绝缘栅型（IGFETIGFET） 按导电沟道的不同还可分为：按导电沟道的不同还可分为：N N沟道和沟道和P P沟道，而绝沟道，而绝缘栅型又可细分为缘栅型又可细分为N N沟道增强型和耗尽型，沟道增强型和耗尽型，P

5、 P沟道增沟道增强型和耗尽型两种。强型和耗尽型两种。5绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管结构及符号 它是以块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。2SiODSGBNNAl栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底 结构图结构图S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图6绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 绝缘栅场效应管是

6、利用栅源电压的大小，来改变半导绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。N N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理1.UGS=01.UGS=0时，没有导电沟道时，没有导电沟道GSD7绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源短路当栅源短路( (即栅源电压即栅源电压U UGSGS=0=0时，源区时，源区(N(N+ +型型) )、衬底衬底(P(P型型) )和漏区和漏区(N(N+ +型型) )形成两个背靠背约形成两个背靠背约PNPN结，结，不

7、管不管E ED D的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PNPN结是反偏。结是反偏。如果源极如果源极S S与衬底相连接地，漏极接电源的正极，与衬底相连接地，漏极接电源的正极，那么漏极与衬底之间的那么漏极与衬底之间的PNPN结果也是反偏的，所以结果也是反偏的，所以漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流I ID D=0(=0(相当于漏源之间的电阻很大相当于漏源之间的电阻很大) )。8绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源之间加反向电压当栅源之间加反向电压( (栅极接正极，源极接负栅极接正极，源极接负极极) )，

8、则栅极，则栅极( (铝层铝层) )和和P P型型硅片相当于以二氧化硅为硅片相当于以二氧化硅为介质的平行板电容器，在介质的平行板电容器，在栅源电压作用下，产生一栅源电压作用下，产生一个垂直于半导体表面的由个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。栅极指向衬底的电场。2.U2.UGSGSUUGSGS（thth）时，出现时，出现N N沟道沟道9绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源电压当栅源电压U UGSGS达到一定数值达到一定数值时。这些电子在栅极附近的时。这些电子在栅极附近的P P型硅型硅片表面形成一个片表面形成一个N N型薄层，将漏极型薄层，将漏极和源极

9、沟通，称为和源极沟通，称为N N沟道。由于此沟道。由于此沟道是由栅源电压感应产生的，沟道是由栅源电压感应产生的，所以又称为感生沟通，如图所示。所以又称为感生沟通，如图所示。另一方面，由于它与另一方面，由于它与P P型衬底型别型衬底型别相反，所以，又称它为反型层。相反，所以，又称它为反型层。显然，栅源电压愈强，感生沟道显然，栅源电压愈强，感生沟道（反型层）愈厚，沟道电阻愈小。（反型层）愈厚，沟道电阻愈小。这种在这种在U UGSGS=0=0时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压才能形成感生必须依靠栅源电压才能形成感生沟道的场效应管，称为增强型绝沟道的场效应管，称为增强型绝缘栅场效应管

10、。缘栅场效应管。10绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 一旦出现了感生沟一旦出现了感生沟道，原来被道，原来被P P型衬底隔开型衬底隔开的两个的两个N N+ +型区型区( (源极和漏源极和漏极极) )，就被感生沟道连在，就被感生沟道连在一起了。因此，在漏源一起了。因此，在漏源电压的作用下，将有漏电压的作用下，将有漏极电流极电流I ID D产生。一般把在产生。一般把在漏源电压作用下开始导漏源电压作用下开始导电的栅源电压，叫开启电的栅源电压，叫开启电压电压U UGSGS（thth）。11绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 增强型

11、场效应管只有在只有在增强型场效应管只有在只有在U UGSGS U UGSGS（thth）时，调节时，调节U UGSGS，改变导电沟道的厚度，从而在相，改变导电沟道的厚度，从而在相同的同的U UDSDS 作用下，有效的控制漏极电流作用下，有效的控制漏极电流I ID D的大小。的大小。工作原理总结工作原理总结12绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -特性曲线特性曲线 转移特性转移特性 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的转移特性如图的转移特性如图所示。其主要特点为：所示。其主要特点为： (1)(1)当当u uGSGSUU UGSthGSth时，时， i iD D 0 0，u

12、 uGSGS越大，越大， i iD D也随之增大，二者符合平方律关系，也随之增大，二者符合平方律关系，如下式所示。如下式所示。 2)(2GSthGSoxnDUuLWCui N 沟道增强型沟道增强型 MOSFET的转移特的转移特性性13绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -特性曲线特性曲线- -输出特性输出特性 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的输出特性如图所示。它分为恒流的输出特性如图所示。它分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：（1 1）夹断区（截止区）夹断区（截止区） 当当U UGSGS U UGSGS（tht

13、h）时，反型层导时，反型层导电沟道被完全夹断，电沟道被完全夹断，I ID D=0=0，场，场效应管处于截止状态。效应管处于截止状态。(2)(2)可变电阻区可变电阻区 在此区域内，在此区域内，U UDSDS很小，导很小，导电沟道主要受电沟道主要受U UGSGS的控制。的控制。14绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -特性曲线特性曲线 当当U UDSDS较大时，出现夹断区，较大时，出现夹断区，I ID D趋于饱和。趋于饱和。(3)(3)恒流区恒流区 在一定的在一定的UGSUGS下，当下，当UDSUDS增大道一定程度时，漏极电增大道一定程度时，漏极电流急剧增加，称为场效应管被击穿。流急剧增加

14、，称为场效应管被击穿。(4)(4)击穿区击穿区15绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -主要参数主要参数 当当U UDSDS为某一固定数值时，使沟道将漏、源极连结起来为某一固定数值时，使沟道将漏、源极连结起来的最小的栅源电压的最小的栅源电压U UGSGS就是开启电压就是开启电压U UGSGS（thth）它只适用于增它只适用于增强型场效应管。强型场效应管。u开启电压开启电压U UGSGS（thth） 最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升，发生雪最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升，发生雪崩击穿时所对应的崩击穿时所对应的U UDSDS值。值。u最大漏源电压最大漏源电压16绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -特性曲线特性曲线|DSDmUconstGSIgU 在在UDSUDS常数时，漏极电流的微变量与引起这个微变量常数时，漏极电流的微变量与引起这个微变量的栅源电压的微变量之比称为跨导，即的栅源电压的微变量之比称为跨导，即u低频跨导低频跨导g gm m 场效应管的耗散功率等于场效应管的耗散