第4-5章场效应管2013

第4_5章场效应管2013第一页，共40页。4.5.1结型场效应管

一.结型场效应管的结构及工作原理DSGP沟道JFETN沟道JFET1.结型场效应管(JFET)的结构、类型及符号第二页，共40页。

JFET的基本控制原理

改变导电沟道的截面积S或沟道长度L即可改变沟道电阻，进而可改变漏极电流。RDS截面积S第三页，共40页。2.JFET的工作原理①

栅源电压UGS对导电沟道的控制作用(令UDS=

0)

UGS≤0

|UGS|增大导电沟道进一步变窄。

|UGS|

≥|UGSoff|(称为夹断电压)沟道被完全夹断。

可见，UGS对导电沟道的截面积有很强的控制作用，可使其均匀地变窄变宽，当|UGS|

≥|UGSoff|时沟道被完全夹断。

耗尽层向沟道延伸，导电道均匀变窄。第四页，共40页。②

漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS=0)

UDS≥0UDS=|UGSoff|

沟道在漏端被夹断，即预夹断。

UDS>|UGSoff|沟道长度略减小，截面积基本不变。

可见，UDS在预夹断之前对沟道有控制作用，可使沟道不均匀变窄。预夹断之后对沟道的影响很小，只是沟道的长度略有改变。耗尽层向沟道延伸，沟道不均匀变窄。第五页，共40页。③UGS和UDS共同作用下的导电沟道第六页，共40页。输入信号作用下FET的控制原理+id第七页，共40页。二.结型场效应管的特性曲线

由于FET的栅极输入端不吸收电流，所以伏安特性包括：

转移特性输出特性第八页，共40页。1.输出特性

沟道预夹断之前沟道预夹断之后第九页，共40页。预夹断线1.恒流区

条件：

UGS>UGSoff

UDS

≥UGS－UGSoff

②.UGS一定，uDS增大时，由于沟道长度调制效应，iD仅略有增大，即iD具有恒流特性。

特点：

①.uGS对iD有很强的控制能力。定义控制参量跨导为输出特性曲线

第十页，共40页。2.可变电阻区条件：

UGS>UGSoff

UDS

<UGS－UGSoff

特点：当uDS较小时(预夹断前)，

iD随uDS近似线性变化，而变化的斜率受栅源电压uGS控制。表明JFET的D、S端呈现的电阻将受UGS调变，即UGS越大，RDS越小。第十一页，共40页。

条件：

UGS≤UGSoffUDS

≥UGS－UGSoff

特点：

沟道被全部夹断iD=0，即D、

S间断开。4.击穿区

uDS增大到某一值时，靠近漏极端的PN结发生雪崩击穿而使iD剧增。|uGS|越大，则击穿时的uDS越小。注意：击穿区不是工作区，实际中应避免出现击穿。3.截止区第十二页，共40页。二.转移特性

转移特性曲线可以通过输出特性曲线获得，如图所示。第十三页，共40页。式中：IDSS为饱和漏电流，表示uGS=0时的iD值；

UGSoff为夹断电压。在恒流区，由于沟道调制效应很弱，所以对于不同的uDS

其转移特性曲线基本重合。uGS<UGSoffUDS>UGS-UGSoff

转移特性曲线变阻区转移特性恒流区的转移特性可表示为第十四页，共40页。

绝缘栅场效应管由金属-氧化物-半导体构成(Metal-Oxide-Semiconductor)，故又简称为MOSFET。4.5.2

绝缘栅场效应管(IGFET)

1.绝缘栅场效应管的结构、类型及符号第十五页，共40页。MOS管类型及符号第十六页，共40页。2N沟道增强型MOS管栅源电压UGS对导电沟道的控制作用(UDS=

0)

UGS

>0，产生向下电场。大到UGS=UGSth(为称开启电压)时，沟道形成。

UGS>UGSth

沟道随UGS增大均匀展宽。

可见，UGS大于开启电压后，对沟道的控制作用与JFET相同，即可使沟道均匀地变宽变窄。第十七页，共40页。

漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS>UGSth)

UDS≥0，漏端UGD降低，电场减弱。沟道不均匀变窄而倾斜。UDS增大到UDS=UGS－UGSth沟道被预夹断。随后UDS增大沟道基本不变。

可见，UDS对导电沟道的控制作用，也与JFET相同，即可使沟道不均匀地变窄，直到预夹断为止。第十八页，共40页。N沟道增强MOS管的伏安特性曲线

1).输出特性

第十九页，共40页。

2).转移特性

当uGS<UGSth时，iD=0；

当uGS

≥UGSth时，

iD

随uGS呈平方律关系。MOSFET的特性，除与所用的材料和制作工艺有关外，还与管形的版图设计参数有密切关系。下面对某些管参数作定量分析。恒流区的转移特性如图所示第二十页，共40页。ENMOSFET的定量关系式

(1).恒流区

其中:λ称为沟道长度调制系数，其值为图示厄尔利电压（Early）UA的倒数，即

由于λ很小，约为（0.005~0.03）V－1，通常可忽略。此时iD0uDSUGSUAA第二十一页，共40页。

式中:μn——沟道电子运动的迁移率；

Cox——单位面积栅极电容；

W——沟道宽度；

L——沟道长度；

W/L——MOS管的宽长比。在MOS集成电路中，宽长比是一个极为重要的设计参数。第二十二页，共40页。(2).可变电阻区：

当UDS<<(uGS－UGSth)时(即预夹断前)，近似有此时，MOS管的D、S端可等效为阻值受uGS控制的线性电阻器，其阻值为显然，uGS越大，RDS越小。第二十三页，共40页。3.N沟道耗尽型MOS管(NDMOS)

耗尽型MOSFET与增强型的不同之处，在于uGS=0时就存在导电沟道。

UGS=0

UGS<0

沟道变窄UGS=UGSoff沟道夹断

UGS>0

沟道展宽

可见在控制沟道时，栅源电压既可小于0，也可大于0。第二十四页，共40页。漏源电压UDS对导电沟道的控制作用(UGS=0)

UDS≥0，漏端电位升高，电场减弱。沟道不均匀变窄而倾斜。UDS增大到UDS=UGS－UGSoff沟道被预夹断。随后UDS增大沟道基本不变。第二十五页，共40页。

N沟道耗尽MOS管的伏安特性曲线

1).输出特性

第二十六页，共40页。UDS>UGS-UGSoff

2).转移特性

恒流区转移特性可表示为ID0第二十七页，共40页。4各种类型的FET特性对比

1.输出特性

第二十八页，共40页。

2.转移特性

第二十九页，共40页。场效应管的参数及特点1.场效应管的主要参数一.直流参数

1).结型场效应管和耗尽型MOSFET(1).饱和漏电流IDSS(ID0)：IDSS(ID0)指的是对应uGS=0时的漏极电流。

(2).夹断电压UGSoff：|uGS|=UGSoff时，iD=0。

2).增强型MOSFET

开启电压UGSth:当uGS>uGSth时，导电沟道才形成iD≠0。第三十页，共40页。3.输入电阻RGS

对结型场效应管，RGS在108~1012Ω之间。对MOS管，RGS在1010~1015Ω之间。通常认为RGS→∞。二.交流参数

1.跨导gm

跨导gm是在恒流区，反映栅源电压对漏极电流控制能力的参数，定义为

gm越大，表明uGS对iD的控制能力越强。第三十一页，共40页。对JFET和耗尽型MOS管，由于GSoffGSDSSDUuIi)1(2-=对应工作点Q处的gm为或

该式表明，gm与静态偏压uGSQ成正比，或与静态工作电流IDQ的开方成正比。增大工作电流，可增大gm

。第三十二页，共40页。而对增强型MOSFET，因为显然，增大宽长比W/L和工作电流，可以提高gm。则2.输出电阻r

ds

输出电阻rds定义为恒流区的rds可以用下式计算rds很大，为几十千欧以上。第三十三页，共40页。

三.极限参数场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：

(1).栅源击穿电压U(BR)GSO。

(2).漏源击穿电压U(BR)DSO。

(3).最大功耗PDM：PDM=ID·UDS第三十四页，共40页。一.方波、锯齿波发生器5.场效应管作为开关的应用电路举例运放A