第3讲 场效应管.ppt

1、,第四节 场效应晶体管(FET),单极型晶体管,场效应管的特点：,输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成化,分类：,结型(JFET)和绝缘栅型(MOS),一、结型场效应管(JFET),1 结构与工作原理,（1）构成,场效应管(FET)是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，属于压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又称单极型晶体管。,结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。,（2）工作原理,NJFET的结构及符号,在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，引出的电极称为栅极G，N型半导体的两端引出两个电极，一个称为漏极D，一个称为源极S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极和源

2、极间的非耗尽层区域称为导电沟道。,两个PN结之间的N沟道,UDS决定耗尽层的楔形程度,UGS决定沟道的宽窄度,UDS、UGS同时作用,工作原理,结型场效应管的工作原理,当 （即 、 短路）时， 控制导电沟道的宽窄。,时， 对导电沟道的控制作用,当 且 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。,(b)当 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,(c)当 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，此时 值为夹断电压 。,(a),当 固定时， 决定耗尽层的楔形程度。,若 ，电流 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边

3、的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。,（a）,（b）,（c）,且,栅漏电压 ，所以当 逐渐增大时， 逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。,一旦 的增大使 等于 ，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断，如图 (b)所示， 为预夹断。,若 继续增大，则 ，耗尽层闭合部分将沿沟道延伸，即夹断区加长，如图 (c)所示。,因此，当 时， 增大 几乎不变，即 几乎仅仅决定于 ，表现出 的恒流性和受控性。,（1）转移特性及特征方程,当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大饱和漏电流。,当UGS0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降，其特征方程为,当 时，N沟道被夹断，ID0，管子截

4、止。,2 结型场效应管的特性曲线,NJFET的特性曲线,（2）漏极特性,可变电阻区、,漏极特性与BJT管的输出特性相仿，可分为四个区,饱和区、,夹断区、击穿区,PJFET,PJFET的特性曲线,N沟道结型场效应管的结构示意图,(a)N沟道管 (b) P沟道管,结型场效应管的符号,二、绝缘栅场效应管（MOS管）,JFET的缺点：,2、特点：,（1）输入阻抗更高：栅极与沟道间用绝缘层隔开 （2）灵活性强：栅源电压可正可负可零 （3）耐高温：栅极电流为零，栅极绝缘 （4）便于高度集成,ri不够高，且随T，PN结的Is ，ri,不能加正向偏压,1、定义：利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少来 改

5、变导电沟道，从而控制电流,（1）耗尽型： UGS=0时，已有导电沟道，ID0，UGS 控制ID变化 （2）增强型 UGS=0时，没有导电沟道，ID=0，只有适当极性的UGS 达到一定数值后，建立导电沟道，UGS 才控制ID变化,3、分类： 也分为 N沟道：沟道上走的载流子 自由电子 P沟道：沟道上走的载流子 空穴,由于有金属、氧化物、 半导体，故又称为MOS管。,4、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管（NMOS）,（1）结构：以P型半导体做衬底，在上面做两个高浓度掺杂的 N区，引出两个极，为源极（S）和漏极（D）。 在半导体表面上覆盖一层薄薄的SiO2绝缘层，绝 缘层上制造一层金属铝为栅极,绝缘层中掺

6、入大量的正离子,（2）符号,（3）工作原理：,UGS=0时，已在衬底表面感应出较多的自由电子反型层,分四种情况讨论：,（3）工作原理：, 时，N沟道已经存在，因此 ID不为零 ，ID=IDSS， 但不是最大值。, 时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加，由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减小，漏极电流成指数规律的增加。, 时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电阻增加，从而漏极电流ID成指数规律减小。, 时，SiO2层中的正电荷全部被负电源中和，N沟道中电子全部消失，也就是说N沟

7、道不存在了，沟道电阻为无穷大，漏电流 ，管子截止(夹断)。,综上所述，MOS管与J型管的导电机理不同。J型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流 ；而MOS管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制ID的目的。,（4）特性曲线及工作原理,转移特性,(d) ， ID=0,(c) 时， IDIDSS,(a) 时， ID=IDSS,(b) 时， IDIDSS,漏极特性,MOS管的漏极特性与J型管类似。 对N沟道也有楔形影响。 越大，N沟道的楔形程度越严重。 一定，楔形一定。改变 大小可改变N沟道的宽窄度， 从正到负，即漏极特性曲线由上而下，反映 对 的控制作用。,*5、 N沟道增强型绝缘栅场效应管

8、,（1）结构：与耗尽型相比， 绝缘层中没有掺正离子的， 就是增强型,（2）符号： 虚线代表，一开始没有沟道 说明是增强型,（3）工作原理,因为绝缘层中没有掺入正离子，所以不加压时，没有沟道,当UGS=0时，总有一个PN结反偏，没沟道，ID=0,开启电压 ：,在 UDS作用下，使ID大于零所需要的最小|UGS|值。,当UGS0时，栅极到衬底之间建立电场吸引电子，达到UGS（off）， 靠近栅极表面形成自由电子薄层反型层导电沟道 ID,当UGS UGS（off）后， UGS 反型层愈厚沟道电阻 ID 实现电压控制电流,导电沟道形成后，UDS变化对沟道的影响和结型场效应相似。由于UDS的存在，使沟道

9、上各点与栅极间的电压不再相等。栅、漏极之间的电压UGD = UGS UDS将小于栅源电压UGS，漏极附近的电场减弱，反型层变薄，使沟道变成楔形。,(a)UDSUGS UGS(th) (b) UDS = UGS UGS(th) (c) UDSUGS UGS(th),（4）增强型NMOS管的特性曲线,(a)漏极特性； (b)转移特性,ID0是 时的ID值。,*6、 P沟道绝缘栅场效应管(PMOS管),增强型PMOS管的结构示意图,三、场效应管的主要参数,2、夹断电压,3、开启电压,4、饱和漏电流,1、直流输入电阻 ：UDS=0时，UGS/IG, 最大耗散功率PDM 最大漏极电流IDM 漏极击穿电压U(BR)DS 栅极击穿电压U(BR)GS,5、极限参数,J型 ：栅极与沟道间的反向击穿电压 MOS管：使绝缘层击穿的电压,四、微变等效模型,低频跨导 的定义式为,是转移特性曲线上某一点的切线的斜率， 与切点的位置密切相关。,四、场效应管微变等效模型,低频跨导 的定义式为,是转移特性曲线上某一点的切线的斜率， 与切点的位置密切相关。,在漏极特性上确定gm,在转移特性上求gm,用公式法求gm,耗尽型,增强型,四、场效应管和双极型三极管的比较,1 场效应管是电压控制元件，而双极型三极