模电 14 场效应管课件

§1.4

场效应管1.熟悉场效应管的结构、分类2.了解场效应管的的工作原理、主要参数和应用绝缘栅型场效应管的结构特点绝缘栅型场效应管的特性曲线

学习目标学习重点2/6/2023模电课件§1.4场效应管场效应管（FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，由于它仅靠一种载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（MOSFET）N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道2/6/2023模电课件1、N沟道增强型MOS管一、绝缘栅型场效应管(MOSFET)金属层氧化物层半导体层S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底(1)结构符号2/6/2023模电课件++NNP型衬底uDSuGS②uDS＝0，uGS>0

uGS排斥SiO2附近的空穴，剩下不能移动的离子，形成耗尽层；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，即反型层，也是d－s之间的导电沟道；

随着uGS增大，开启电压UGS(th)：刚刚形成反型层的uGS电压。SDG2/6/2023模电课件++NNP型衬底uDSuGS③uGS>UGS(th)，uDS>0由于有导电沟道，会产生漏极电流iD；iD导电沟道存在电位梯度，导电沟道不均匀，沿着s→d方向逐渐变窄；当uDS=

UGSUGS(th)时，导电沟道出现预夹断；当uDS较大，uDS>UGSUGS(th)时，导电沟道出现夹断；此时，iD的大小与uDS无关，由uGS决定，恒流区。当uDS较小，uDS<

UGSUGS(th)时,uDS增大,iD也增大,可变电阻区；SDG2/6/2023模电课件（3）特性曲线与电流方程①输出特性曲线uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可变电阻区恒流区夹断区预夹断轨迹iD=f(uDS)对应不同的UGS下得一簇曲线夹断区恒流区可变电阻区输出特性曲线（分三个区域）2/6/2023模电课件输出特性曲线（分三个区域）uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区：uDS>UGSUGS(th)导电沟道出现夹断，iD取决于uGS

，而与uDS无关；恒流区2/6/2023模电课件输出特性曲线（分三个区域）

可变电阻区：

导电沟道未夹断前，，对应不同的uGS，d－s间可等效不同的电阻；uDS<

UGSUGS(th)uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可变电阻区2/6/2023模电课件②转移特性曲线与电流方程UGS(th)2UGS(th)IDOuGSiD转移特性曲线:电流方程:IDO：uGS＝2UGS(th)时的iD。恒流区：iD基本上由uGS决定，与UDS关系不大uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区转移特性曲线输出特性曲线2/6/2023模电课件2、N沟道耗尽型MOS管在G的下方，在SiO2中掺入大量的正离子，即使uGS＝0，也会吸引P中的电子形成沟道。--gs+NdbN++++++++++++P型衬底uGSuDSiD

想让沟道消失，必须加足够负电压。

夹断电压UGS(off)：反型层消失时的uGS，为负值。sgdbN沟道符号：

N沟道耗尽型MOS管的uGS可以为正，也可以为负。iD2/6/2023模电课件3、P沟道增强型导电沟道是P型，所以衬底是N型。

P沟道MOS的工作原理与N沟道MOS完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。iD2/6/2023模电课件4、P沟道耗尽型5、VMOS管（自学）2/6/2023模电课件1、工作原理

N沟道结型场效应管正常工作，应在uGS<0，耗尽层承受反向电压（uGS对沟道的控制作用，又保证栅－源之间内阻很高），uDS>0，形成漏极电流iD。（1）

uGS对沟道的控制作用耗尽层NP+P+sdg③当│uGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。uGS=UGS(off)夹断电压。在栅源间加负电压uGS

，令uDS=0①当uGS=0时，导电沟道最宽。②当│uGS│↑时，沟道电阻增大。

VGG（uGS）2/6/2023模电课件（2）当uGS为0～UGS(off)中某一值，uDS对iD的影响NP+P+dgs

VGG（uGS）

VDD（uDS）iD①当uDS=0时，iD=0。②当uDS≠0时，从d→s电位依次减小，即耗尽层承受的反向电压由d→s逐渐减小，故宽度也沿着d→s方向逐渐变窄。uDS→

iD③当uGD=UGS(off)时，漏极的耗尽层出现夹断。＋－uDS＋－uGS＋uGD－uGD＋uDS－uGS＝0uGD＝uGS－

uDS2/6/2023模电课件NP+P+dgs

VGG（uGS）

VDD（uDS）iD③当uGD<UGS(off)时，漏极的耗尽层夹断层加长。uDS增大，电流iD基本不变。（3）当uGD<UGS(off)时，uGS对iD的控制作用当uGD<UGS(off)时，当uDS为常量时，uGS的大小影响iD的大小，也就是说，可以通过改变uGS控制iD的大小。随uDS的加大，uGD

越来越负。2/6/2023模电课件3、结型场效应管的特性曲线（1）输出特性曲线可变电阻区恒流区击穿区夹断区iD(mA)uDS(V)uGS＝0VuGS＝－1VuGS＝－2VuGS＝－3VuGS＝－4V预夹断轨迹①可变电阻区：导电沟道未夹断前，uDS与iD线性关系，对应不同的uGS，d－s间可等效不同的电阻；②恒流区：导电沟道出现夹断，iD取决于uGS

，而与uDS无关；③预夹断轨迹：uGD＝uGS－uDS＝UGS(off)④夹断区：uGS<UGS(off)时，导电沟道完全被夹断，iD≈0。2/6/2023模电课件（2）转移特性曲线iD(mA)uDS(V)uGS＝0VuGS＝－1VuGS＝－2VuGS＝－3VuGS＝－4V0-3-12iD(mA)uGS（V）1-4-243UGS（off）IDSS恒流区的转移特性曲线近似一条IDSS：饱和漏电流。uGS=0时，uGD＝UGS(off)时漏极电流；2/6/2023模电课件三、场效应管的主要参数1、直流参数（1）开启电压UGS(th)：增强型MOS管的参数（2）夹断电压UGS(off)：结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（3）饱和漏极电流IDSS：耗尽型管，在UGS＝0时产生预夹断时的漏极电流P49图1.4.13场效应管的符号及特性2/6/2023模电课件3、极限参数（2）极间电容：

场效应管的三个极之间均存在极间电容。高频电路中，考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率fM是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。（1）最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。（2）击穿电压：U(BR)DS：管子进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS。U(BR)GS：结型管：使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS。MOS管：使绝缘层击穿的uGS。2/6/2023模电课件（3）最大耗散功率PDM：PDM决定管子允许的温升。PDM确定后，可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线，再根据由IDM和U(BR)DS可得到管子的安全工作区。四、MOS管使用注意事项2、在使用场效应管时，要注意漏源电压、漏源电流及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。1、保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空；2/6/2023模电课件

MOS场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但在使用上却带来新的问题．由于输入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近栅极时，在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄放掉，电荷的累积造成了电压的升高，尤其是在极间电容比较小的情况本下，少量的电荷就会产生较高的电压，以至管子还没使用或者在焊接时就已经击穿或者出现指标下降的现象，特别是MOS管，其绝缘层很薄，更易击穿损坏。

保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空2/6/2023模电课件晶体管噪声

在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。晶体管噪声是晶体管的重要参数。

晶体管按工作原理可分为两大类，一类是双极型晶体管；另一类是单极型晶体管,即场效应晶体管（FET）。双极型晶体管的噪声按物理来源通常分为四类：热噪声、散粒噪声、配分噪声和1/f噪声。

热噪声

晶体管的基区或各项电阻上载流子的不规则热运动产生的电流起伏，即为热噪声。由于热噪声频谱是均匀分布的，又称为白噪声。

散粒噪声

晶体管中少数载流子通过发射极－基极结注入到基区时,少数载流子的数目和速度都有起伏,引起通过结的电流的微小变化。同时，少数载流子在基区内的不规则运动，包括所产生的复合过程也将引起电流起伏，这些都属于晶体管的散粒噪声。散粒噪声与频率无关。

配分噪声

在晶体管基区中，发射极电流的一部分变为集电极电流，另一部分变为基极电流，有一个由空穴－电子复合作用而定的电流分配系数。复合现象本身同样受到热起伏效应的影响，因此分配系数不是恒定的。它的微小变化也会引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。

参考资料：2/6/2023模电课件1/f噪声

在晶体管噪声频谱(图)中，低频时噪声急剧上升,呈1/fn关系。随工艺条件、表面处理和环境气氛等的不同，n取1～2之间,故常称为1/f噪声。低频噪声产生的原因和机理很复杂,尚待深入研究。

噪声系数

晶体管的噪声系数有多种定义方法。常用输入信噪比与输出信噪比的相对比值作为晶体管的噪声系数,即

。噪声系数通常以分贝为单位来表示。降低晶体管噪声的主要途径是提高截止频率和