模拟电子技术基础-第1章-常用半导体器件-14-场效应管

1、1.4.1 结型场效应管的结构和工作原理1.4.2 绝缘栅场效应管的结构和工作原理第1章 常用半导体器件1.4 场效应管2021/9/121作业1-141-151-162021/9/122场效应管出现的历史背景场效应管的用途场效应管的学习方法场效应管的分类第一节 场效应管概述2021/9/123场效应管出现的历史背景1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与

2、双极型三极管不同。2021/9/124场效应管的用途场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。2021/9/125场效应管的学习方法学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。202

3、1/9/126N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管FET结型JFETIGFET( MOSFET )绝缘栅型场效应管的分类2021/9/127一、结型场效应管的结构二、结型场效应管的工作原理三、结型场效应管的特性曲线及参数第二节 结型场效应管(JFET)的结构和工作原理2021/9/128一、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道N+N+PGSDN沟道JFETP沟道JFET栅极漏极源极2021/9/129二、结型场效应管（JFET)的工作原理参考方向做如下约定:2021/9/1210（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源UGS

4、起作用，电压源UDS的电压值为0；（3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0；（4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。按照如下的思路来讲解：2021/9/1211（1） UDS =0伏、UGS = 0伏时JFET的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽这时导电沟道的电阻记为R1。2021/9/1212（2） 在UDS =0伏的前提下： UGS 从0伏逐

5、渐增加过程中，JFET的工作状态（2.1）UDS =0伏：UGS逐渐增加UGS = -1伏 此时导电沟道从漏极到源极平行等宽这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1UGS给PN结施加的是一个反偏电压2021/9/1213（2.2) UDS =0伏:UGS逐渐增加至UGS = Up （夹断电压）当UGS逐渐增加至UGS = Up 时（不妨取Up= -3伏），由UGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。2021/9/1214 （2.3） UDS =0伏:UGS继续增加，结型场效应管进入击穿状态 UGS 增加使

6、PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。2021/9/1215（3） 在UGS =0伏的前提下，分别讨论UDS 由小变大的过程中JFET的几种工作状态（3.1 ） UGS =0伏:UDS的值比较小时 UDS给PN结施加的是一个反偏电压2021/9/1216导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当UDS 比较小时 ，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。2021/9/1217（3.2) UGS =0伏、UDS的值增加至Up时 PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出

7、特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS 。2021/9/1218（3.3) UGS =0伏、UDS继续增加 2021/9/1219当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。2021/9/1220（3.4) UGS =0伏、UDS继续增加至U（BR）DS PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS 。2021/9/1221

8、(4) 在UGS = -1伏（即UGSUp的某个值）的前提下 ， 当UDS 由小变大时，JFET的状态(4.1) UGS = -1伏、UDS的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。2021/9/1222(4.2)UGS = -1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断 如图所示，当UDS的值增加至某值（此值比Up小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有UGS+UDS =Up。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的UDS值比A点对应的UDS值小，因为UDS=Up-UGSVT时,

9、沟道加厚开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管2021/9/1241 （3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源VDS的值较小导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降2021/9/1242 （3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0（3.2）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS =VT导电沟道在靠近漏极的一点刚开始

10、出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。vDS(V)iD(mA)2021/9/1243（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS VT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区， VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。vDS(V)iD(mA)2021/9/1244三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C 转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C 输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而

11、变化。vGS/V2021/9/1245三、 耗尽型MOS场效应管一 N沟道耗尽型MOS场效应管结构二 N沟道耗尽型MOS的工作原理三 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线2021/9/1246一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构2021/9/1247P沟道耗尽型MOS场效应管结构2021/9/1248二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。 当VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。VGS(V)

12、iD(mA)VPN沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS02021/9/1249三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线2021/9/1250场效应管的主要参数2. 夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流为零。3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。1. 开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。4. 直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107，绝缘栅:1091