模拟电子技术基础第1章常用半导体器件14场效应管课件

2023/7/191.4.1结型场效应管的结构和工作原理1.4.2绝缘栅场效应管的结构和工作原理第1章常用半导体器件1.4场效应管12023/7/19作业1-141-151-1622023/7/19场效应管出现的历史背景场效应管的用途场效应管的学习方法场效应管的分类第一节场效应管概述32023/7/19场效应管出现的历史背景1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三极管不同。42023/7/19场效应管的用途场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。52023/7/19场效应管的学习方法学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。62023/7/19N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管FET结型JFETIGFET(MOSFET)绝缘栅型场效应管的分类7一、结型场效应管的结构二、结型场效应管的工作原理三、结型场效应管的特性曲线及参数第二节结型场效应管(JFET)的结构和工作原理2023/7/198一、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道N+N+PGSDN沟道JFETP沟道JFET栅极漏极源极2023/7/1992023/7/19二、结型场效应管（JFET)的工作原理参考方向做如下约定:102023/7/19（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源UGS起作用，电压源UDS的电压值为0；（3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0；（4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。按照如下的思路来讲解：112023/7/19（1）UDS=0伏、UGS=0伏时JFET的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽这时导电沟道的电阻记为R1。122023/7/19（2）在UDS=0伏的前提下：│

UGS│从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐渐增加UGS=-1伏

此时导电沟道从漏极到源极平行等宽这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1UGS给PN结施加的是一个反偏电压132023/7/19（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐渐增加至UGS=Up（夹断电压）当│UGS│逐渐增加至UGS=Up

时（不妨取Up=-3伏），由UGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。142023/7/19

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│继续增加，结型场效应管进入击穿状态UGS增加使PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。152023/7/19（3）在UGS=0伏的前提下，分别讨论UDS由小变大的过程中JFET的几种工作状态（3.1）UGS=0伏:UDS的值比较小时UDS给PN结施加的是一个反偏电压162023/7/19导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当UDS比较小时

，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。172023/7/19（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│时

PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。182023/7/19（3.3)UGS=0伏、UDS继续增加

192023/7/19当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。202023/7/19（3.4)UGS=0伏、UDS继续增加至U（BR）DS

PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS。212023/7/19(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│的某个值）的前提下，当UDS由小变大时，JFET的状态(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。222023/7/19(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断如图所示，当UDS的值增加至某值（此值比│Up│小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的UDS值比A点对应的UDS值小，因为UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。232023/7/19(4.3)UGS=-1伏、UDS的值继续增加当UDS继续增加时，两边PN结相接的区域继续向源极方向扩展，此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不随UDS的增加而增加。242023/7/19(4.4）UGS=-1伏、UDS继续增加至出现PN结击穿UGS

和UDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，UDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的UDS值比UGS=0时出现反向击穿的UDS小。252023/7/19(5)当UGS≤UP时，JFET处于截止状态当UGS≤UP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。

不同UGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的UDS记为UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。261.什么是传统机械按键设计？传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。传统机械按键设计要点：1.合理的选择按键的类型，尽量选择平头类的按键，以防按键下陷。2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议留0.05~0.1mm，以防按键死键。3.要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。传统机械按键结构层图：按键开关键PCBA2023/7/19JFET的三个状态恒流区（放大区、饱和区）可变电阻区截止区282023/7/19小结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。思考：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。JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。292023/7/19场效应管的应用小结

一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用，VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS控制电阻的大小，管子工作在可变电阻区，当作压控可变电阻使用时，导电沟道还没有出现预夹断；

二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极电流的大小，控制比例系数为gm,VGS电压的绝对值越大，漏极电流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部分导电沟道；

三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关断开，场效应管相当于一个无触点的开关。302023/7/19第三节绝缘栅场效应管（IGFET)的结构和工作原理一、IGFET的结构312023/7/19MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类322023/7/19332023/7/19342023/7/19二、增强型MOS场效应管一N沟道增强型MOS场效应管结构二N沟道增强型MOS的工作原理三N沟道增强型MOS场效应管特性曲线352023/7/19一、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绝缘栅极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362023/7/19P沟道增强型MOS场效应管结构372023/7/19二、N沟道增强型MOS的工作原理382023/7/19按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。392023/7/19（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；

当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结402023/7/19（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（2.1）当VDS=0V，VGS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。（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道412023/7/19（2.3）当VDS=0V，VGS>VT时,沟道加厚开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管422023/7/19

（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源VDS的值较小导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降432023/7/19

（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0（3.2）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。vDS(V)iD(mA)442023/7/19（3.3）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，VDS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。vDS(V)iD(mA)452023/7/19三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。vGS/V462023/7/19三、耗尽型MOS场效应管一N沟道耗尽型MOS场效应管结构二N沟道耗尽型MOS的工作原理三N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线472023/7/19一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构482023/7/19P沟道耗尽型MOS场效应管结构492023/7/19二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理

当VGS=0时，VDS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VGS＞0时,将使iD进一步增加。