模拟电子技术基础第1章常用半导体器件14场效应管

1、2020/8/23,1.4.1 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,2020/8/23,作业,1-14 1-15 1-16,2020/8/23,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,2020/8/23,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

2、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。,2020/8/23,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。,2020/8/23,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

3、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。,2020/8/23,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,IGFET ( MOSFET ) 绝缘栅型,场效应管的分类,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,一、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,G,S,D,N沟道JFET,P沟道JFET,栅极,漏极,源极,2020/8/23,二、结型场效应管（JFET)的工作原理,参考方向做如下约定:,2020/8/23,（1）电压源UGS和电压源U

4、DS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：,2020/8/23,（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。,

5、2020/8/23,（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R1,UGS给PN结施加的是一个反偏电压,2020/8/23,（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。,2020/8/23,（2

6、.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。,2020/8/23,（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,2020/8/23,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。,2020/8/23,（3.2) UGS =0伏

7、、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 。,2020/8/23,（3.3) UGS =0伏、UDS继续增加,2020/8/23,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。,2020/8/23,（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

8、B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS 。,2020/8/23,(4) 在UGS = -1伏（即UGSUp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。,2020/8/23,(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

9、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-UGSUp。,2020/8/23,(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。,2020/8/23,(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UD

10、S值比UGS =0时出现反向击穿的UDS小。,2020/8/23,(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。,2020/8/23,JFET的三个状态,恒流区（放大区、饱和区） 可变电阻区 截止区,2020/8/23,小结,沟道中只有

11、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。,2020/8/23,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

12、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。,2020/8/23,第三节 绝缘栅场效应管（IGFET)的结构和工作原理,一、 IGFET的结构,2020/

13、8/23,MOS场效应管分类,2020/8/23,2020/8/23,2020/8/23,二、 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,2020/8/23,一、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,2020/8/23,P沟道增强型MOS场效应管结构,2020/8/23,二、 N沟道增强型MOS的工作原理,2020/8/23,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

14、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。,2020/8/23,（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,2020/8/23,（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V

15、GS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道,2020/8/23,（2.3） 当VDS=0V，VGSVT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,2020/8/23,（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,2020/8/23,（3）只有电压源

16、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=VGSVDS =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。,2020/8/23,（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS 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。,2020/8/23,三、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,当vGS变化时，RON将随之变化，因此

17、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/V,2020/8/23,三、 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,2020/8/23,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,2020/8/23,P沟道耗尽型MOS场效应管结构,2020/8/23,二、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VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,2020/8/23,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,2020/8/23,场效应管的主要参数,2. 夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 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VGS=0时所对应的漏极电流。,1. 开启电压VT