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1、电子技术场效应管本讲稿第一页，共三十六页3.3.掌握掌握场效应管的伏安特性及主要参数；场效应管的伏安特性及主要参数；本章要求：本章要求：1.1.了解了解了解了解场效应管的结构与类型；场效应管的结构与类型；场效应管的结构与类型；场效应管的结构与类型；2.理解理解理解理解场效应管的工作原理；场效应管的工作原理；场效应管的工作原理；场效应管的工作原理；4.4.掌握掌握场效应管放大电路的分析。场效应管放大电路的分析。本讲稿第二页，共三十六页场效应管的特点场效应管的特点 1.1.它是利用改变外加它是利用改变外加电压电压产生的产生的电场强度电场强度来控制其来控制其导电能力的半导体器件。导电能力的半导体器件
2、。2.2.它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，、寿命长等优点，3.3.还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。4.4.在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。本讲稿第三页，共三十六页N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGF
3、ET)分类：分类：3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管(FET(FET）本讲稿第四页，共三十六页 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？3.1.1 3.1.1 结型场效应晶体管结型场效应晶体管JFETJFET本讲稿第五页，共三十六页结型场效应管的结构如图所示。结型场效应管的结构如图所示。在一块在一块N N型半导体材料的两边各扩型半导体材料的两边各
4、扩散一个高杂质浓度的散一个高杂质浓度的P+P+区区,就形就形成两个不对称的成两个不对称的P+NP+N结，即耗尽结，即耗尽层。把两个层。把两个P+P+区并联在一起，引区并联在一起，引出一个电极出一个电极g g，称为栅极，在，称为栅极，在N N型型半导体的两端各引出一个电极，半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极分别称为源极s s和漏极和漏极d d。夹在两个夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。道（简称沟道）。图所示的管子的图所示的管子的N区是电流的通道，区是电流的通道，称为称为N沟道结型场效应管。沟道结型场效应管。本讲稿第六页，共三十六页场效应管的三个电极与
5、三极管的三个电极的对应关系场效应管的三个电极与三极管的三个电极的对应关系栅极栅极g-基极基极b 源极源极s-发射极发射极e 漏极漏极d-集电极集电极c 1.P 1.P 沟道和沟道和N N沟道结构及电路符号沟道结构及电路符号P沟沟道道G门极门极D漏极S源极源极gdsP沟道结构及电路符号沟道结构及电路符号N沟道G门极门极D漏极S源极源极gdsN沟道结构及电路符号沟道结构及电路符号本讲稿第七页，共三十六页2.工作等效（以工作等效（以P沟道为例）沟道为例）UgsIsId(1(1）PN结不加结不加反向反向电压（电压（Ugs)或加的或加的电压不足以使电压不足以使沟道沟道闭合闭合时。沟道导通，时。沟道导通，
6、电阻很小，并且电阻很小，并且阻阻值值随沟道的随沟道的截面截面积减积减少少而而增大增大。称称可变电可变电阻区阻区 ；ID=UDs/RDsRDSPNNGIDIS=IDPN结结PN结结+-UGS增大耗尽层加厚。增大耗尽层加厚。UGS=0：ID=IDSS电路图电路图 等效图等效图本讲稿第八页，共三十六页(2)恒流工作（电压控制电流源）恒流工作（电压控制电流源）GID+RDVDDDSPN结加结加反向反向电压（电压（Ugs)使使沟道沟道微微闭闭合合时电流时电流ID与与UDS无关，无关，称称恒流区。恒流区。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN结结PN结结+-耗尽层闭合耗尽层闭合时时U
7、GS=VPRDVDDUGS电路图电路图 等效图等效图本讲稿第九页，共三十六页(3)(3)截止工作截止工作PNNGID=0IS=IDPN结结PN结结+-RDVDDUGS耗尽层耗尽层完全闭合，沟道夹完全闭合，沟道夹断，电子过不去断，电子过不去栅极电压栅极电压UGS大于等大于等夹断电压夹断电压UP时，时，ID=0相当一个很大的电阻相当一个很大的电阻本讲稿第十页，共三十六页3.JFET3.JFET的主要参数的主要参数1）夹断电压）夹断电压VP:手册给出是手册给出是ID为一微小值时的为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的，时的IDudsidvgs=常数常数vgsid
8、Uds=常数常数uGS id5)极限参数：极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。、栅源间的最高反向击穿。PDM 最大漏极允许功耗最大漏极允许功耗，与三极管类似。，与三极管类似。3)、电压控制电流系数电压控制电流系数gm=4 4）交流输出）交流输出电阻电阻 rds=本讲稿第十一页，共三十六页4.特性曲线：特性曲线：与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以转移特性曲线和输出特性曲线。以N N型型JFETJFET为例：为例：0ugs
9、(v)-4 -3 -2 -1idmA54321VPIDSSN型型JFET的转移曲线的转移曲线可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VPN型型JFET的的输出特性曲线输出特性曲线（V）UDS-4V-2.0V-1VUGS=0V Vma ID放大区0击击穿穿区区本讲稿第十二页，共三十六页综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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。所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制预夹断前预夹断前i iD D与与v vDSDS呈近似线
10、性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFETJFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。本讲稿第十三页，共三十六页Sect增强型增强型MOSFET耗尽型耗尽型MOSFET3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET
11、本讲稿第十四页，共三十六页1.N1.N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管Sect本讲稿第十五页，共三十六页当当UGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底表型衬底表面形成一层面形成一层耗尽层耗尽层，但负离子不能，但负离子不能导电。导电。当当UGS=UT时时,在在P型衬底表面型衬底表面形成一层形成一层电子层电子层，形成，形成N型导电沟型导电沟道，在道，在UDS的作用下形成的作用下形成ID。UDSID+-+-+-
12、UGS反型层反型层 当当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之之间加上电压不会在间加上电压不会在D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0.当当UGSUT时时,沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管Sect本讲稿第十六页，共三十六页增强型增强型MOSMOS管管U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I I
13、D D的的控制关系曲线控制关系曲线I ID D=f f(U UGSGS)U UDSDS=C =C (1)(1)转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑UDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+UDS)K导电因子（导电因子（mA/V2)沟道调制长度系数沟道调制长度系数 n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K
14、本征导电因子本征导电因子Sect2.2.2.2.特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线(以以以以N N N N沟道为例沟道为例沟道为例沟道为例)本讲稿第十七页，共三十六页U UGSGS一定时，一定时，I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 (2)(2)输出特性曲线输出特性曲线 ID与与UDS的关系近线性的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)I I I ID D D D=f f f f(U U U UDSDSDSDS)U U U UGS=C GS=C GS=C GS=C
15、 可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区：当当当当U U U UGSGSGSGS变化时，变化时，变化时，变化时，R R R RONONONON将随之变化将随之变化将随之变化将随之变化因此称之为因此称之为因此称之为因此称之为可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区本讲稿第十八页，共三十六页 恒流区恒流区：该区内，该区内，UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变 击穿区击穿区：UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。开始剧增而出现击穿。当当UDS 增加到某一临界增加到某一临界值时，值时，ID开始剧增时开始剧增时UDS称称为漏源击穿电压。为漏源击穿电压。
16、UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect当当UGS一定时，一定时，RON近似为一常数近似为一常数因此又称之为因此又称之为恒阻区恒阻区本讲稿第十九页，共三十六页 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当当UDS为为0或较小时，或较小时，相当相当 UGDUT，此时此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在在UDS作用下形成作用下形成IDSect本讲稿第二十页，共三十六页Sect基础知识 当当UDS增加到使增
17、加到使UGD=UT时，时，当当UDS增加到增加到UGD UT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时。此时的的漏极电流漏极电流ID 基本饱和基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S极。极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，沟道上，ID基本趋于不变。基本趋于不变。本讲稿第二十一页，共三十六页 MOSMOS管衬底的处理管衬底的处理保证两个保证两
18、个PN结反偏，源极结反偏，源极沟道沟道漏极之间处于绝缘态漏极之间处于绝缘态NMOS管管UBS加一负压加一负压PMOS管管UBS加一正压加一正压处理原则：处理原则：处理方法：处理方法：Sect本讲稿第二十二页，共三十六页2.2.耗尽型耗尽型MOSMOS管管+耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道Sect 结构结构结构结构 本讲稿第二十三页，共三十六页 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当UGS=0时，时，UDS加正向电压，产生漏极电流加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示
19、表示当当UGS0时，将使时，将使ID进一步增加进一步增加。当当UGS0时，随着时，随着UGS的减小漏极电流逐渐的减小漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对。对应应ID=0的的UGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号UP表示表示。本讲稿第二十四页，共三十六页UGS(V)ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线转移特性曲线转移特性曲线在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UP)2沟道较短时，沟道较短时，IDK(UGS-UT)2（1+UDS)ID IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：常用关系式：Sect本讲稿第二
20、十五页，共三十六页输出特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在U UGSGS00本讲稿第二十六页，共三十六页各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型本讲稿第二十七页，共三十六页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型Sect本讲稿第二十八页，共三十六页Sect3.3.3.3.场效应管的主要参数场效应管
21、的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数（1）开启电压）开启电压UT 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。（2）夹断电压）夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极漏极电流为零。电流为零。（3 3）饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。本讲稿第二十九页，共三十六页（4）直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压栅源间所
22、加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比之比结型场效应三极管，反偏时结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管RGS约是约是1091015。(5)(5)漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。(6)栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压Sect本讲稿第三十页，共三十六页 （7）低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用gm的求法的求法
23、:图解法图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型解析法：如增强型MOS管存在管存在ID=K(UGS-UT)2Sect本讲稿第三十一页，共三十六页 2.衬底跨导衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用的控制作用跨导比跨导比Sect本讲稿第三十二页，共三十六页3.漏极电阻漏极电阻rds反映了反映了UDS对对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率斜率4.导通电阻导通电阻Ron在恒阻区内在恒阻区内Sect本讲稿第三十三页，共三十六页5.极间电容极间电容Cgs栅极
24、与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容漏极与衬底间电容主要的极间电容有：主要的极间电容有：Sect本讲稿第三十四页，共三十六页4.3、绝缘栅型场效应晶体管、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）分分增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类：各类有分两类：各类有分NMOS和和 PMOS两种：两种：1)NMOS（Metal Oxidized Semiconductor)NMOS（D）P衬底NN源极源极 门极门极 漏极S G D 增强型增强型N沟道示意沟道示意B 基底基底NMOS（E）P衬底NN源极源极 门极门极 漏极S G D 耗尽型耗尽型N沟道示意沟道示意B 基底基底Sio2Sio2N沟道沟道GDSGGGBB+本讲稿第三十五页，共三十六页本讲稿第三十六页，共三十六页