电子技术场效应管

电子技术场效应管第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期日3.掌握场效应管的伏安特性及主要参数；本章要求：1.了解场效应管的结构与类型；2.理解场效应管的工作原理；4.掌握场效应管放大电路的分析。第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期日场效应管的特点

1.它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。

2.它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，

3.还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。

4.在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期日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)分类：3.1场效应晶体管(FET）第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期日

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#

符号中的箭头方向表示什么？3.1.1结型场效应晶体管JFET第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期日结型场效应管的结构如图所示。在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。图所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效应管。

第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期日场效应管的三个电极与三极管的三个电极的对应关系栅极g--基极b源极s--发射极e漏极d--集电极c1.P沟道和N沟道结构及电路符号P沟道G门极D漏极S源极gdsP沟道结构及电路符号N沟道G门极D漏极S源极gdsN沟道结构及电路符号第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期日2.工作等效（以P沟道为例）UgsIsId(1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区；ID=UDs/RDsRDSPNNGIDIS=IDPN结PN结++-UGS增大耗尽层加厚。UGS=0：ID=IDSS电路图

等效图第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期日(2)恒流工作（电压控制电流源）GID+RDVDDDSPN结加反向电压（Ugs)使沟道微闭合时电流ID与UDS无关，称恒流区。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN结PN结++-耗尽层闭合时UGS=VPRDVDDUGS电路图等效图第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期日(3)截止工作PNNGID=0IS=IDPN结PN结++-RDVDDUGS耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去栅极电压UGS大于等夹断电压UP时，ID=0相当一个很大的电阻第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期日3.JFET的主要参数1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的IDudsidvgs=常数vgsidUds=常数∂uGS∂id5)极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。

PDM最大漏极允许功耗，与三极管类似。3)、电压控制电流系数gm=4）交流输出电阻rds=第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期日4.特性曲线：与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：0ugs(v)-4-3-2-1idmA54321VPIDSSN型JFET的转移曲线可变电阻区截止区IB≤0UDS=UGS-VPN型JFET的输出特性曲线（V）UDS-4V-2.0V-1VUGS=0Vma

ID放大区0击穿区第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期日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。第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期日Sect增强型MOSFET耗尽型MOSFET3.1.2绝缘栅型场效应管MOSFET第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期日1.N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管Sect第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期日当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。UDSID++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.当UGS>UT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管Sect第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期日增强型MOS管UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C(1)转移特性曲线UDS>UGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数n—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道长宽比K'—本征导电因子Sect2.特性曲线(以N沟道为例)第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期日UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线

(2)输出特性曲线ID与UDS的关系近线性ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)ID=f(UDS)UGS=C①可变电阻区：当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期日②恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变③击穿区：

UDS增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期日

漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS当UDS为0或较小时，相当UGD＞UT，此时UDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成IDSect第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期日Sect基础知识当UDS增加到使UGD=UT时，当UDS增加到UGDUT时，增强型MOS管

漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID

基本饱和此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期日

MOS管衬底的处理

保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态NMOS管—UBS加一负压PMOS管—UBS加一正压处理原则：处理方法：Sect第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期日2.耗尽型MOS管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道Sect结构第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期日N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当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UP表示。第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期日UGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线转移特性曲线在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UP)2沟道较短时，ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)ID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：Sect第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期日输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期日各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期日绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型Sect第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期日Sect3.场效应管的主要参数（1）开启电压UT

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。（2）夹断电压UP

夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期日（4）直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，绝缘栅场效应三极管RGS约是109～1015Ω。(5)

漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。(6)栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压Sect第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期日

（7）低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用gm的求法:①图解法—gm实际就是转移特性曲线的斜率②解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期