第5讲场效应管

第五讲场效应管第五讲场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、主要参数四、场效应管与晶体管的比较五、举例说明场效应管：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应管优点：体积小，重量轻，寿命长等、且输回路的内阻高，噪声低、热稳定性好，抗幅射能力强且比后着耗电省，场效应管分为：结型和绝缘型两种不同的结构，一、结型场效应管（以N沟道为例）

场效应管均有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管结构示意图导电沟道源极栅极漏极符号2.栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？控制耗尽层的宽度。沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断UGS（off）为使N沟道结型场效应管正常工作，应在其删-源之间加负向电压{即(ugs<0),以保证耗尽层承受反向电压；在漏--源之间加正向电压uds,以形成漏极电流id。Ugs<0，既保证了栅—源之间内阻很高的特点，又实现了ugs对沟道电流的控制。UGS=0UDS=03.漏-源电压对漏极电流的影响场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGS＞UGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。电压控制元件uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）当ugs为ugs(off)~0中的某一确定值时，uDS对漏极电流Id影响4.当uGD<uGS(off）时，uGS对iD的控制作用在uGD=uGS－uDS=uGS（0ff），即uds>ugs－ugs（off）的情况下，当uds为一常量时，对应于确定的ugs，就有确定的id。此时，可以通过改变ugs来控制id的大小。由于漏极电流受栅－源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用β(=

ic/

ib)来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用类似，场效应管可以用gm来描述动态的栅－源电压对电流的控制作用，gm称为低频跨导：gm=

iD/

uGS。由以上分析可知：（1）在uGD=uGS－uDS>UGS（off）的情况下，即当uds<ugs－ugs（0ff）（即当g－d间未出现夹断）时，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。g-s电压控制d-s的等效电阻5.输出特性预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。低频跨导：（1）可变电阻区（也称非饱和区）：图中的虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使uds＝ugs－ugs（off）【即ugd＝ugs（0ff）】的点连线而成的，ugs愈大，预夹断时的uds值愈大。预夹断轨迹左边的区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当ugs确定时，直线的斜率也唯一确定，直线斜率的倒数为d－s间等效电阻的阻值，故称之为可变电阻区。（2）恒流区（也称饱和区）：图中预夹断轨迹右边的区域为恒流区。当uds〉ugs－ugs（off）（即ugd

<ugs（off））时，各曲线近似为一组横轴的平行线。当uds增大时，id仅略增大。因而可将iD近似为电压ugs控制的电流源，故称该区域为恒流区。（3）夹断区:当ugs

<ugs（off）时，导电沟道被夹断，iD约为零，即图中靠近横轴的部分，称为夹断区。一般将使iD等于一个很小的电流（如5µA）时的ugs定义为夹断电压ugs（off）。另外，当uDS增大到一定程度时，漏极电流会突然增大，管子将被击穿。由于这种击穿是由于栅－漏间耗尽层破坏而引起的，因而若栅－漏击穿电压为U(BR)GD，则漏－源击穿电压U(BR)DS＝ugs－U(BR)GD，所以当ugs增大时漏源击穿电压将增大，如图1.4.5所示。

夹断电压漏极饱和电流6.转移特性场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管的栅极与源极.栅极与漏极之间均采用sio2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称MOS管。它的栅-源间电阻比结型场效应管大得多，可达1010欧以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好.集成化时工艺简单，而广泛应用于大规模或超大规模集成电路中。1.N沟道增强型MOS的构成它以一块低搀杂的p型硅片为衬底，利用扩散工艺制作上两个高搀的N＋区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体之上制作一层sio2绝缘层，再在sio2制作一层金属铝，引出电极做栅极g。通常将衬底和源极连接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。增强型管SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启当栅源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。可见，MOS管与结型场效应管的导电机理和对电流的控制原理均不同。2.增强型MOS管uGS，uDS对iD的影响

用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？UGS>UGS(th)，UDS>0iD随uDS的增大而增大，可变电阻区uGD＝UGS（th）,预夹断iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻3.耗尽型MOS管

耗尽型MOS管在uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道UGS=0时，存在导电沟道。在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子已经在感应出反型层，存在原始导电沟道。4.MOS管的特性1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压IDSS5.场效应管的分类

工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＞0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS＜0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？三、主要参数1.开启电压UGS(th)(或UT)：是增强型MOS管参数，UGS〉UGS(th)开始出现漏极电流。2.夹断电压UGS(off)(或UP)：结型场效应管和耗尽型MOS的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS：结型和耗尽型场效应管,当UGS=0时所对应的漏极电流。4.最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。5.输入电阻RGS：栅源电压与栅源电流之比，结型场效应管的RGS大于107Ω，绝缘栅型场效应管的RGS大于109Ω。四、场效应管与晶体管的比较输入电阻高,不索取电流只有多子参与导电噪声系数小漏源极可以互换种类比晶体管多,集成工艺简单,耗电省,工作电源电压范围宽五、举例说明测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表1所示，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态(夹断区、恒流区、可变电阻区），并填入表内。1.判断管型:①给出开启电压：增强型②给出夹断电压：耗尽型2.判断工作状态㈠增强型：以N沟道为例，P沟道与之相反①夹断区：UGS<开启电压②可变电阻区：UGS>开启电压,且UDS<预夹断电压③恒流区：UGS>开启电压,且UDS>预夹断电压开启电压>0,N沟道增强型开启电压<0,P沟道增强型夹断电压>0,N沟道耗尽型夹断电压<0,P沟道耗尽型已知T1：UGS(th)=4；US=-5；UG=1；UD=3

①UGS(th)=4>0，N沟道增强型

②UGS=UG-US=1+5=+6UGS>UGS(th),已开启③UDS=UD-US=3-1=2预夹断电压=UGS-UGS(th)=+6-4=+2UDS=3>预夹断电压的2v∴T1工作在恒流区。已知T2：UGS(th)=-4；US=3；UG=3；UD=10

①UGS(th)=-4<0，P沟道增强型

②UGS=UG-US=3-3=0UGS=0〉开启电压-4v；或UGS=0<开启电压∣-4v∣∴T2工作在夹断区。已知T3：UGS(th)=-4；US=6；UG=0；UD=5

①UGS(th)=-4<0，P