场效应管原理与特性介绍解析

场效应管原理与特性介绍解析1、晶体管与场效应管区别丹、双极型晶体管BJT(BipolarJunctionTransistor)b、 J型场效应管JunctiongateFET(FieldEffectTransistor)c、 金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(MetalOxideSemi-ConductorFieldEffectTransistor)英文全称1、 晶体管晶体管，也叫三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结在电路中用“V”或“VT”(旧文字符号为“Q”、“GB”等)表示。是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。2、 场效应管场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是既有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。场效应管能在很小电流和很彳氐电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。3、 场效应管分类：场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（10人7~10人12Q）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。t■;绝缘栅场效应管［增强型&霞面分类J 〔藉尽型董嚣〔结型场效应管§燃二中国二气停店绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。两者都有N沟道P沟道。场效应管分为：结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。结型场效应管：均为耗尽型，2、MOS管（MOS就是绝缘栅型）1、MOS管参数开启电压VT•开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；•标准的N沟道MOS管，VT约为3〜6V;•通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2〜3V。直流输入电阻RGS•即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比•这一特性有时以流过栅极的栅流表示•MOS管的RGS可以很容易地超过1010Q。漏源击穿电压BVDS•在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS•ID剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿•有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID栅源击穿电压BVGS•在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS,称为栅源击穿电压BVGS。低频E夸导gm•在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导•gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力•是表征MOS管放大能力的一个重要参数•—般在十分之几至几mA/V的范围内导通电阻RON.导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数•在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间•由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似•对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内极间电容•三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS•CGS和CGD约为1〜3pF•CD，约在0.1〜1pF之间低频噪声系数NF•噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的•由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化•噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）•这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小•低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小2、MOS管特性我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。GG导通特性（NMOS/PMOS）NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失.MOS管驱动跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的夕卜接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。3、MOS/CMOS集成电路MOS集成电路特点：制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。MOS集成电路包括：NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已。数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子，负载常用MOS管作为有源负载，这样不仅节省了硅片面积，而且简化了

工艺利于大规模集成。常用的符号如图1所示。图1M爵管的符号⑴耶OS管 (b)PWS管3、MOS管原理构造(绝缘栅场效应管)1.增强型绝缘栅场效应管N沟道增强型管的结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。铝T(3)W铝T(3)W海道增强型HOS皆结榆示意图(b)N沟道增强型MOSCe)P尚逆增强型管代表符号 计皿管代袤符号一J析鼠引搅二拍忙适、(1)N沟道增谶型管的结构挪极和其它电极及硅片之间北绝缘的，祢绝缘栅型场效应管.P实硅衬底源极S棚极G漏板P实硅衬底源极S棚极G漏板DN沟道增强型管的工作原理由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背s_D当W14s_D当W14压叽为=。时，管混极和源极之M所加电压的极性如何,其中总<T个PN结是反向偏置的，反向电阻很商.漏梭电流近似为零缶当UGS>0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸弓倒达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层;将出现N型导电构道，将连接起来*J愈高，导填补空穴形成负离子的耗尽层;将出现N型导电构道，将连接起来*J愈高，导电淘道愈竟,在础电源的作用下将产生漏极电流h管子导通』当UGS>UGS(th)后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏-源之间加上一定的电压UDS,则有漏极电流ID产生。在一定的1 "1N型字电泊遒UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。Q型导电沟道］在一定的漏-源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th)。沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。vDS对iD的影响如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD二vGS-vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS<vgs-vt)时，它对沟道的影响不大，这时只要vgs—定，沟道电阻几乎也是一定的，所以id随vds近似呈线性变化。<bdsfid二"165"p=""></vgs-vt)时，它对沟道的影响不大，这时只要vgs一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以id随vds近似呈线性变化<>随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。特性曲线(4)P沟道增强型增甑型场效庇曾只堵当时对形淑&魁淘道“SI增甑型场效庇曾只堵当时对形淑&魁淘道“SI「第电压才形成PWH电构迁2.耗尽型绝缘栅场效应管?如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。(1)N沟道耗尽型管%。:绪琨队小结构！W搏心II"陶广,T T II-由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0时，若漏-源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流ID产生。这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。当UGS>0时，使导电沟道变宽，ID增大；当UGS<0时，使导电沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态(即截止)。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off)表示。原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。电流方程：在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同(2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。(3)P沟道耗尽型管

域强型眼型GD-71S s域强型眼型GD-71S sN海道 P沟迪G*S之闾加一定s sN洵谊 P海道左制造时就具有电出才形成导电沟逆原暗导电沟道（PMOS）管也存在，是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE（衬垫）正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于NMOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，“PMOSVt从0.6V上升到0.7V”，实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。金属氧化物半导体场效^（MOS）晶体管可分为N沟道与P沟道两大类，P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个？+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，栅极上加有足够的正电压（源极接地）时，栅极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。P沟道MOS晶体管的空穴迁移率彳氐因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性，与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路(见N沟道金属一氧化物一半导体集成电路)出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是，因PMOS电路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。场效应管的主要参数⑴开启电压UGS(th):是增强型MOS管的参数⑵夹断电压UGS(off):⑶饱和漏电流IDSS：是结型和耗尽型MOS管的参数(4)低频跨导gm:表示栅源电压对漏极电流的控制能力极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。5场效应管与晶体管的比较双极型三极管单极型场紫撇管裁流子电子和农穴两群藏 电子或空穴中一种流子同时参W电 校流予参与导也控制方式旭流控制招庄控制类«1N沟道用IP沟道腋大参数Em=1〜5mA/V期入电阻iw~i。’a较低心~1驴口较高输出电阻—〜很高匚二m很高 S 剧造「艺较翅杂筒单*成本低E—CG—S--D2.11.3场效应管放大电路

场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。场效应管的源极