第五章场效应管

1.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极c基极b发射极e一、三极管的结构、分类和符号Pecb

三个区、两个结、三个极特点：基区薄，掺杂浓度低发射区，掺杂浓度高集电区，结面积大1.3.1晶体管的结构及类型1.3双极型晶体管可按频率、功率、材料、结构分类。若按结构分类，可分为2种：ECRCIC

UCECEBUBE共发射极接法放大电路1.3.2晶体管的电流放大作用---放大？三极管具有电流控制作用的外部条件:

（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VE输出回路输入回路公共端EBRBIB发射区向基区注入电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成

发射极电流IE三极管的电流控制原理VBB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRBIEPIBNICBOICNIENiC

/mAuCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=

0µA20µA40µA截止区60µA80µA饱和区（2）截止区：IB≤0的区域，两结反偏。严格说，IE=0,即IC≤ICBO的区域，管子基本不导电。（1）放大区：发射结正偏，集电极反偏。特性曲线的平坦部分。满足有电流控制作用。（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴的区域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只随UCE增加而增加。UCE=UBE称为临界饱和，在深度饱和时，饱和压降UCES很小。临界饱和的估算：三个工作区的分析1.3.5晶体管的应用电路举例例1.3.1现已测得某电路中有几只晶体管三个极的直流电位如表所示，各晶体管b-e见开启电压Uon均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。晶体管基极直流电位UB/V发射极直流电位UE/V集电极直流电位UC/V工作状态T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.70015对NPN管，当UBE＜Uon时，管子截止；当UBE＞Uon且UCE≥UBE(或UC≥UB)，管子放大；当UBE＞Uon且UCE＜UBE(或UC＜UB)，管子饱和。放大放大饱和截止§

5.1

场效应管增强型E型耗尽型D型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）场效应管(FET)结型(JFET)绝缘栅型(MOSFET)特点：分类：体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺简单。尤其MOS管在大规模和超大规模集成电路中占有重要地位。5.1.1结型场效应管(JunctionFieldEffectTransistor)一、工作原理和结构P+P+漏极DID栅极G源极SGSD1、结构：在N型硅棒两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。在N型硅棒两侧做成两个高浓度的P+区，并将其连在一起，如图。若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。N图5.1.1N沟道结型场效应管的结构示意图2、工作原理（1）D、S间短路，G、S间加反向电压P+P+DGSNUGS︱UGS︱增大，耗尽层加宽，导电沟道变窄，电阻加大，当︱UGS︱加大到一定值时，两侧的耗尽区几乎碰上，导电沟道仿佛被夹断，D、S间电阻趋于无穷大。此时，UGS=UGS(off)—夹断电压当︱UGS︱

≥︱UGS(off)︱后，耗尽区无明显变化，太大会出现击穿。由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。一般不用正偏。图5.1.2（2）G、S间短路，D、S间加正向电压P+P+DGSUDSR随UDS↑，ID↑

。由于电压降，靠近D极UGD反压越高，耗尽层越宽，导电沟道越窄，呈现楔型。当UDS=︱UGS(off)︱,即UGD=UGS(off)时，在漏极两侧的耗尽区开始合拢，称为预夹断。UDS↑，预夹断区变长，UDS的增加部分落在预夹断区，导电沟道内的ID基本不变。（3）G、S间加负电压，D、S间加正向电压P+P+UDSRUGSG、S的负电压使耗尽区变宽，导电沟道变窄；D、S间的正电压使耗尽区和导电沟道不等宽。当UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即UDS=UGS-UGS(off)时，发生预夹断，此后UDS

↑，ID基本不变。图5.1.3二、特性曲线及电流方程1、漏极特性曲线（输出特性曲线）432104812–2V–3V图5.1.5转移特性123UGS

=0V–1012–1–2–3uGS/VIDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mA恒流区可变电阻区夹断区UGS=

常数iD

=f

(uDS)预夹断轨迹低频跨导：图5.1.4场效应管的输出特性(1)可变电阻区iD几乎与uDS成线性关系增加，呈电阻特性。其等效电阻可看作一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。(2)恒流区（饱和区）iD的大小受uGS控制。饱和区与可变电阻区的分界线为uDS=uGS-UGS(off)。(3)夹断区uGS<UGS(off)，沟道被夹断，iD≈02、转移特性曲线UDS=

常数iD

=f

(uGS)SiO2N沟道增强型MOS管结构示意图及符号5.1.2绝缘栅型场效应管(MOSFET)P型硅衬底源极S栅极G漏极D衬底引线BN+N+DBSG符号1.结构和符号一、N沟道增强型MOS管四种类型：N沟道增强型；N沟道耗尽型；P沟道增强型；P沟道耗尽型。图5.1.6SiO2图5.1.7(a)工作原理图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID

=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。2.工作原理(1)UGS=0P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)由柵极指向衬底方向的电场排斥P区空穴向下移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层仍然没有漏极电流。UGSN+N+UDS图5.1.7(b)工作原理图P型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID栅极下P型半导体中少子被吸引内至其表面，形成N型导电沟道—反型层，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。(3)UGS>UGS(th)N+N+UGS增强型MOS管的iD与uGS的近似关系为：其中IDO是uGS=2UGS(th)时的iD图5.1.7(c)工作原理图N型导电沟道4321051015UGS

=5V6V4V3V2ViD/mAUDS=10V图5.1.8增强型

NMOS

管的特性曲线

0123恒流区击穿区可变电阻区246uGS

/

V3.特性曲线UGs(th)输出特性转移特性uDS/ViD/mA夹断区二、N沟道耗尽型MOS管P型硅衬底源极S漏极D栅极G衬底引线B耗尽层1.结构特点和工作原理N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号图5.1.9N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号432104812UGS

=1V–2V–3V输出特性转移特性耗尽型NMOS管的特性曲线

1230V–1012–1–2–3uGS/V2.特性曲线IDUGSUGs(off)uDS/VUDS=10ViD/mAiD/mAN型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道三、P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS

、UDS的极性也与NMOS管相反。P+P+UGSUDSID1.P沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压UGS(th)为负值，UGS<UGS(th)

时导通。SGDB符号

iD/mAuGS

/V0UGS(th)

转移特性2.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号

iD/mAuGS

/V0UGS(off)

转移特性夹断电压UGS(off)为正值，UGS

<

UGS(off)时导通。注:场效应管的符号及特性如图所示在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值。结型管大于107,MOS管大于109。1.4.3场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)

指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2.夹断电压UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。4.直流输入电阻RGS（DC）一、直流参数3.饱和漏极电流IDSS在UGS=0时，管子发生预夹断时的漏极电流。另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM、最大漏极电流IDM是管子的极限参数，使用时不可超过。gm=iD

/uGSUDS=常数是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。1.低频跨导gm

二、交流参数2.极间电容Cgs、Cgd、Cds由PN结的势垒电容及分布电容构成。三、极限参数1.4.4场效应管应用举例例1.4.1已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。2105101510V8V6VuDS/ViD/mAN沟导增强型MOS管。图1.4.14输出特性曲线例1.4.2电路及管子的输出特性如图所示。使分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。2105101510V8V6VuDS/ViD/mA+VDD(+15V)RD5kΩuo

+-uI

+-图1.4.15例1.4.2电路图图1.4.14例1.4.3电路如图所示，场效应管的夹断电压UGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS=4mA。试问：为保证负载电阻RL上的