第一章3_场效应管

1、11.5 场效应晶体管场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（绝缘栅场效应晶体管（MOSFET ）结型场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET ）场效应晶体管的参数场效应晶体管的参数思考的问题：思考的问题： 三极管工作时，总是从信号三极管工作时，总是从信号源吸取电流源吸取电流,它是一种电流控制它是一种电流控制型的器件，输入阻抗较低。型的器件，输入阻抗较低。 那么，场效应管是通过什么那么，场效应管是通过什么方式来控制的？有什么特点？方式来控制的？有什么特点？2 场效应管晶体管（场效应管晶体管（Field Effect TransistorFET）是利用是利用电场效应电场效应来控制的有源器件，它不来控制的

2、有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有寿命长的特点，还具有输入电阻高输入电阻高（MOSFET最最高可达高可达1015）、）、噪声系数低噪声系数低、热稳定性好热稳定性好、工作工作频率高频率高、抗辐射能力强抗辐射能力强、制造工艺简单制造工艺简单等优点。等优点。在近代大规模和超大规模在近代大规模和超大规模集成电路（集成电路（IC）以及微以及微波电路中得到广泛应用。波电路中得到广泛应用。 按照结构特点，场效应晶体管可分两大类：按照结构特点，场效应晶体管可分两大类： 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（IGFET） 结型场效

3、应管（结型场效应管（JFET）31.5.1 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管N沟道增强型沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅二氧化硅作为作为金属（铝）栅极金属（铝）栅极和和半导体半导体之间的绝缘层之间的绝缘层 ，又，又称金属称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，简称半导体场效应管，简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。41 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构P型衬底BSiO

4、2N+N+SDG 取一块取一块P型半导体作为衬底，用型半导体作为衬底，用B表示。表示。用氧化工艺生成一层用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。薄膜绝缘层。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区。从而型区。从而形成两个形成两个PN结。（绿色部分）结。（绿色部分） 从从N型区引出电极，一个是漏极型区引出电极，一个是漏极D(Drain，相当于，相当于C，流入载流子，流入载流子)，一，一个是源极个是源极S(Source，相当于，相当于E，流出载，流出载流子流子)。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极层

5、金属铝作为栅极G(Grid，相当于，相当于B)。 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的符号如的符号如左图所示。左面的一个衬底在内部与左图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。用时需要在外部连接。DGSBDGSB52 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理 对对N沟道增强型沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对沟也会对沟道产生影响，从而对输出

6、电流，即漏极电流道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。产生影响。 1栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 先令漏源电压先令漏源电压UDS=0，加入栅源电，加入栅源电压压UGS以后并不断增加。以后并不断增加。 UGS带给栅极正电荷，会将正对带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即从而形成一层负离子层，即耗尽层耗尽层，用，用绿色的区域表示。绿色的区域表示。 同时会在栅极下的表层感生一定同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较

7、多，从而在的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。漏源之间可形成导电沟道。 沟道中的电子和沟道中的电子和P型衬底的多子导型衬底的多子导电性质相反，称为电性质相反，称为反型层反型层。此时若加上。此时若加上UDS ，就会有漏极电流，就会有漏极电流ID产生。产生。反型层反型层 显然改变显然改变UGS就会改变沟道，就会改变沟道，从而影响从而影响ID ，这说明这说明UGS对对ID的控制作用。的控制作用。0DSU 当当UGS较小时，不能形成有较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有效的沟道，尽管加有UDS ，也不，也不能形成能形成ID 。当增加。当增加UGS，使，使ID刚刚刚出现时，对应的刚

8、出现时，对应的UGS称为称为开启开启电压电压，用，用UGS(th)或或UT表示。表示。6 2漏源电压漏源电压UDS的控制作用的控制作用 设设UGSUGS(th)，增加，增加UDS，此时沟道的变化如下。，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 显然漏源电压会对沟道产生影响，因显然漏源电压会对沟道产生影响，因为为源极和衬底相连接源极和衬底相连接，所以加入，所以加入UDS后，后， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。结的宽度最大。所以加入所以加入UD

9、S后，在漏源之间会形成一个后，在漏源之间会形成一个倾斜的倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。结区，从而影响沟道的导电性。 当当UDS进一步增加时，进一步增加时， ID会不断增加会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为现夹断，这种状态称为预夹断预夹断。预夹断预夹断 当当UDS进一步增加时，进一步增加时， 漏端的耗尽层漏端的耗尽层向源极伸展，此时向源极伸展，此时ID基本不再增加，增基本不再增加，增加的加的UDS基本上降落在夹断区。此时基本上降落在夹断区。此时ID只只受受UGS控制，进入线性放大区。控制，进入线性放大区。DI73 N沟道增

10、强型沟道增强型MOSFET的特性曲线的特性曲线 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线。漏极输出特性曲线。1)转移特性曲线转移特性曲线OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N沟道增强型沟道增强型MOSFET的转移特的转移特性曲线如左图所示，它是说明性曲线如左图所示，它是说明栅源电栅源电压压UGS对漏极电流对漏极电流ID的控制关系，可的控制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线用这个关系式来表达，这条特性曲线称为称为转移特性曲线转移特性曲线。 转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm

11、反映了反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm称为称为跨导跨导。这是场效应三极管的。这是场效应三极管的一个重要参数。一个重要参数。constGSDmDSUUIg单位单位mS（mA/V）82)漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 当当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，反映，且固定为某一值时，反映UDS对对ID的影响，即的影响，即ID=f(UDS) UGS=const这一关系曲线称为这一关系曲线称为漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线。 场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲

12、线上可以看出水平段的恒流区，从曲线上可以看出UDS对对ID的影响很小。但是改变的影响很小。但是改变UGS可以明显改变漏极电流可以明显改变漏极电流ID，这就意味着输入电压对输出电流的控，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。制作用。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.曲线分五个区域：曲线分五个区域：（1）可变电阻区）可变电阻区（2）恒流区（放大区）恒流区（放大区）（3）截止区）截止区（4）击穿区）击穿区（5）过损耗区）过损耗区可变电阻区可变电阻区截止区截止区击穿区击穿区过损耗区过损耗区9OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.从从

13、漏极输出特性漏极输出特性曲线可以得到曲线可以得到转移特性转移特性曲线，过程如下：曲线，过程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU104 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时，这些正离子时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏

14、极电流已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。存在。 当当UGS=0时，对应的漏极电流用时，对应的漏极电流用IDSS表示。当表示。当UGS0时，将使时，将使ID进进一步增加。一步增加。UGS0时，随着时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应对应ID=0的的UGS称为称为夹断电压夹断电压，用符号，用符号UGS(off)表示，有时也用表示，有时也用UP表示。表示。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。的转移特性曲线如右上图所示。夹断电压夹断电压IDSS11关于场效应管符号的说明：关于场效应管符号的说明：

15、DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增沟道增强型强型MOS管，衬底管，衬底箭头向里。箭头向里。漏、衬底漏、衬底和源、分和源、分开，表示开，表示零栅压时零栅压时沟道不通。沟道不通。表示衬底表示衬底在内部没在内部没有与源极有与源极连接。连接。N沟道耗沟道耗尽型尽型MOS管。漏、管。漏、衬底和源衬底和源不断开表不断开表示零栅压示零栅压时沟道已时沟道已经连通。经连通。 N沟道结沟道结型场效应型场效应管。没有管。没有绝缘层。绝缘层。如果是如果是P沟道，箭头则向外。沟道，箭头则向外。121.5.2 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数1

16、 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 (Junction type Field Effect Transisstor)13 源极源极，用，用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用，用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用，用G或或g表示表示栅极栅极，用，用G或或g表示表示符号符号符号符号1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 142.工作原理（以工作原理（以N沟道为例）沟道为例）vDS=0V时时NGSDvDSVGSNNPPiDPN结反偏，结反偏，VGS越负越负,则耗尽区越则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导

17、电沟道越窄。窄。 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用15VDSNGSDVGSPPiDVGS达到一定值时耗尽达到一定值时耗尽区碰到一起，区碰到一起，DS间的间的导电沟道被夹断。导电沟道被夹断。 当沟道夹断时，对当沟道夹断时，对应的栅源电压应的栅源电压VGS称为称为夹断电压夹断电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。 VGS继续减小继续减小(更负更负)对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。16NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V时时PP VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS iD G、D间间PN结的反向电压结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗增加，使靠近

18、漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。上至下呈楔形分布。17NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大iD 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变18GSDVDSVGSPPiDN VGS和和VDS同时作用时同时作用时VGS越小越小(越负越负)耗尽区越宽，沟耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。道越窄，电阻越大。iD 减小。减小。当当VP VGS0， P沟道沟道FET的的iD0，故可根，故可根据据iD的方向判断的方向判断N或或P沟道型沟道型FET。2）耗尽型）耗尽型FET的标