场效应管课件

1.4场效应晶体管场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）场效应管，是利用输入电压产生的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，是电压控制型器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。特点输入端电流极小，因此它的输入电阻很大利用多数载流子导电，其温度稳定性较好抗辐射能力强、功耗低、噪声低N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型（IGFET）1.4场效应晶体管DSGN符号1.4.1

结型场效应管（JunctionFieldEffectTransistor）结构图1.4.1

N沟道结型场效应管结构图N型导电沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。一、结型场效应管工作原理

N沟道结型场效应管是通过改变UGS的大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.当UDS=0时，uGS

对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。当UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟道被夹断.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS

＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示2.当uGS

为UGS（Off)~0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。uDS=0，iD=0GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuDS>0，耗尽层呈现楔形。(a)(b)

uGD

＝uGS

－uDS

→uDS↑

→

uGD↓

→靠近漏极一边的导电沟道变窄。d-s呈现电阻特性。GDSNP+P+VGGuDS↑→

uGD=UGS(off)，

沟道预夹断uDS↑→

uGD<uGS(off)，夹断，iD几乎不变(1)

改变uGS，改变了PN结中电场，控制了iD

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(c)GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(d)小结(1)在uGD

＝uGS

－uDS>uGS(off)情况下,即当uDS<uGS-uGS(off)

对应于不同的uGS

，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD

＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS

，而与uDS

无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。二、结型场效应管的特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)图转移特性uGS=0，iD最大；uGS

愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD≈0。两个重要参数饱和漏极电流

IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS特性曲线测试电路mAIDSS/V预夹断轨迹恒流区

可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。图1.4.5(b)漏极特性输出特性曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS图1.4.5(a)特性曲线测试电路+-mA击穿区iD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V2+uDS4+8+o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。

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。一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB1.工作原理

绝缘栅场效应管利用UGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0

漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD

栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2

一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)

当UGS增大时，耗尽层变宽，同时将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，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)。UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。---N型沟道DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.9

UDS

对导电沟道的影响(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)在UDS>UGS–UGS(th)时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD

。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS<UGS(th)，iD=0；

UGS

≥

UGS(th)

，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UGS(th)

时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图1.4.10(a)图1.4.10(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区

可变电阻区夹断区。UGS增加二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；

UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

UGS=

UGS(off)

,感应电荷被“耗尽”，iD

0。UGS(off)称为夹断电压图1.4.11三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)

，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS

可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道注意事项（1）MOS管栅、源极之间的电阻很高,使得栅极的感应电荷不易泄放,因极间电容很小,故会造成电压过高使绝缘层击穿。（2）有些场效应晶体管将衬底引出,故有4个管脚,这种管子漏极与源极可互换使用。（3）使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。（4）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。

不同类型FET转移特性比较3.特性总结结型N沟道uGS/ViD/mAO增强型耗尽型MOS管(耗尽型)IDSS开启电压UGS(th)夹断电压UGS(off)IDO

是uGS=2UGS(th)时的iD值练习判断图中各曲线属于哪种场效应管？N沟道耗尽型MOS管N沟道增强型型MOS管N沟道结型场效应管1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT

或UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管（结型场效应管和耗尽型MOS管）的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容

用以描述栅源之间的电压uGS

对漏极电流iD

的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)

这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd、Cds。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.栅源击穿电压U(BR)GS

由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。

场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGS>U(BR)GS

，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流IDM例2电路如图1.4.14所示，其中管子T的输出特性曲线如图1.4.15所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？

图1.4.14图1.4.15分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)

＝4V解(1)ui为0V，即uGS＝ui＝0，管子处于夹断状态

所以u0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD＝1mA，u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V时，若工作在恒流区，i