模拟电子技术-第一章3-场效应管-刘广孚2

§1.5场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）结型场效应晶体管（JFET）场效应晶体管的参数思考的问题：三极管工作时，总是从信号源吸取电流,它是一种电流控制型的器件，输入阻抗较低。那么，场效应管是通过什么方式来控制的？有什么特点？×1

场效应管晶体管（FieldEffectTransistor——FET）是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路（IC）以及微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：

绝缘栅型场效应管（IGFET）结型场效应管（JFET）21.5.1绝缘栅场效应晶体管N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFETP沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型MOSFET绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间的绝缘层，又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFET)。√31N沟道增强型MOSFET的结构取一块P型半导体作为衬底，用B表示。用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）从N型区引出电极，一个是漏极D(Drain，相当于C)，一个是源极S(Source，相当于E)。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G(Grid，相当于B)。N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。42N沟道增强型MOSFET的工作原理对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。

1．栅源电压UGS的控制作用先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。UGS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，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS，就会有漏极电流ID产生。反型层

显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID，这说明UGS对ID的控制作用。

当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS，也不能形成ID。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。5

2．漏源电压UDS的控制作用设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后，UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。当UDS进一步增加时，ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断当UDS进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。此时ID只受UGS控制，进入线性放大区。63N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET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。1)．转移特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示，它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm称为跨导。这是场效应三极管的一个重要参数。单位mS（mA/V）72)．漏极输出特性曲线

当UGS＞UGS(th)，且固定为某一值时，反映UDS对ID的影响，即ID=f(UDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。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，从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。但是改变UGS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制作用。曲线分五个区域：（1）可变电阻区（2）恒流区（放大区）（3）截止区（4）击穿区（5）过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区8从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：94N沟道耗尽型MOSFETN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SiO2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。当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。夹断电压IDSS10关于场效应管符号的说明：N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。表示衬底在内部没有与源极连接。N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。N沟道结型场效应管。没有绝缘层。如果是P沟道，箭头则向外。111.5.2结型场效应管结构工作原理

输出特性转移特性

主要参数1

JFET的结构和工作原理2

JFET的特性曲线及参数

(JunctiontypeFieldEffectTransisstor)12

源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示

P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号1JFET的结构和工作原理1.结构#

符号中的箭头方向表示什么？132.工作原理（以N沟道为例）vDS=0V时NGSDvDSVGSNNPPiDPN结反偏，VGS越负,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。①VGS对沟道的控制作用14VDSNGSDVGSPPiDVGS达到一定值时耗尽区碰到一起，DS间的导电沟道被夹断。当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。

VGS继续减小(更负)对于N沟道的JFET，VP<0。15NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V时PP②VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDSiDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。16NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN结反压越大iD当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变17GSDVDSVGSPPiDN③

VGS和VDS同时作用时VGS越小(越负)耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。iD减小。当VP<VGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的VDS，

iD的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP18综上分析可知沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因

此iG0，输入电阻很高。19#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？2JFET的特性曲线及参数2.转移特性VP1.输出特性20①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：或3.主要参数漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rd：213.主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS221.N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线vGS0iDIDSSVP夹断电压饱和漏极电流小结（JFET管）23输出特性曲线iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线-2V可变电阻区夹断区恒流区预夹断曲线击穿区24转移特性曲线vGS0iDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压2P沟道结型场效应管DGS符号栅源端加正电压漏源端加负电压25予夹断曲线iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0P沟道结型场效应管26结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。27双极型晶体管场效应晶体管结构NPN型PNP型C与E一般不可互换使用绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道结型N沟道P沟道D与S，有的型号可互换使用载流子多子扩散，