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1、3.1 场效应晶体管(FET）分类和结构：结型场效应晶体管JFET绝缘栅型场效应晶体管IGFETNPPN结耗尽层PN沟道G门极D漏极S源极P衬底NN源极 门极 漏极S G D JFET结构IGFET结构N沟道第1页/共51页结型场效应晶体管JFET1)P 沟道和N沟道结构及电路符号N沟道G门极D漏极S源极gdsN沟道结构及电路符号P沟道G门极D漏极S源极gdsP沟道结构及电路符号第2页/共51页2)工作等效（以P沟道为例）UgsIsId1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区 ；ID=UDs/RDsRDSP
2、NNGIDIS=IDPN结PN结+-UGS增大耗尽层加厚。UGS=0：ID=IDSS电路图 等效图第3页/共51页2）恒流工作（电压控制电流源）GID+RDVDDDSPN结加反向电压（Ugs)使沟道微闭合时电流ID与UDS无关，称恒流区。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN结PN结+-耗尽层闭合时UGS=VPRDVDDUGS电路图 等效图第4页/共51页3）截止工作PNNGID=0IS=IDPN结PN结+-RDVDDUGS耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去栅极电压UGS大于等夹断电压UP时，ID=0相当一个很大的电阻第5页/共51页3)、JFET的主要参数1）夹断电压
3、VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的IDudsidvgs=常数vgsidUds=常数uGS id5)极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。3)、电压控制电流系数gm=4）交流输出电阻 rds=第6页/共51页4）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。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：0ugs(v)-4 -3 -2 -1idmA54321VPIDSSN型JFET的转移曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VPN型J
4、FET的输出特性曲线-4V-1VUGS=0V Vma（V）ID放大区0击穿区第7页/共51页3.3 MOSFET增强型增强型MOSFET耗尽型耗尽型MOSFET第8页/共51页 N N沟道增强型MOSMOS场效应管结构增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极D集电极C源极S发射极E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管第9页/共51页当UGS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。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。UDSID+-+-+-UGS反型层 当UGS=0V时，漏源之间相当两个背
5、靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGS UT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管第10页/共51页 N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线I ID D=f f(U UGSGS)U UDSDS=C =C 转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UT)
6、2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+UDS)K导电因子（mA/V2)沟道调制长度系数 n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子第11页/共51页 N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线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 I ID D=f f(U UDSDS)U UGSGS=C =C 输出特性曲线1.可变电阻区：ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS
7、=UT=3VUGS(V)ID(mA)当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区第12页/共51页 N N沟道增强型MOSMOS场效应管特性曲线输出特性曲线2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS 增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)第13页/共51页 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UG
8、SUDS 当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID第14页/共51页基础知识 当UDS增加到使UGD=UT时，当UDS增加到UGD UT时，增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用 这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS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。第15页/共51页 MOSMOS管衬底的处理管衬底的处理保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态NMOS管UBS加一负压P
9、MOS管UBS加一正压处理原则：处理方法：第16页/共51页 N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+耗尽型MOS管存在原始导电沟道第17页/共51页 N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管工作原理当UGS=0时，UDS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UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。UGS(V)ID(mA)N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线转移特性曲线在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(
10、UGS-UP)2沟道较短时，IDK(UGS-UT)2（1+UDS)UPID IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：第18页/共51页 N N沟道耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N N沟道耗尽型MOSMOS管可工作在U UGSGS 0 0或U UGSGS0 0 N N沟道增强型MOSMOS管只能工作在U UGSGS00第19页/共51页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沟道增强型第20页/共51页绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第21页/共51页场效应管的主
11、要参场效应管的主要参数数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数第22页/共51页2.夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 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UGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压UT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。第23页/共51页4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJ
12、FET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压第24页/共51页 1.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用gm的求法:图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2第25页/共51页 2.衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用跨导比第26页/共51页3.漏极电阻rds反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率4.导通电阻Ron在恒阻区内第27页/共51页5.极间电容Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容Csb 源
13、极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容主要的极间电容有：第28页/共51页、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种：1)NMOS（Metal Oxidized Semiconductor)NMOS（D）P衬底NN源极 门极 漏极S G D 增强型N沟道示意B 基底NMOS（E）P衬底NN源极 门极 漏极S G D 耗尽型N沟道示意B 基底Sio2Sio2N沟道GDSGGGBB+第29页/共51页2）P沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor)N衬底PP源极 门极 漏极S G D 增强型P沟道示意B 基底PMOS
14、（E）N衬底PP源极 门极 漏极S G D 耗尽型P沟道示意B 基底Sio2Sio2P沟道GDSGGGBB-PMOS（D）第30页/共51页(1)工作状态示意图P衬底NNS G D UGSUDSBID耗尽区+-GDSBIDUDSUGS第31页/共51页(2)IGFET 工作原理(NMOS)耗尽型场效应管的工作原理类似结型场效应管。增强型IGFET象双结型三极管一样有一个开启电压VT，（相当于三极管死区电压）。当UGS低于VT时，漏源之间夹断。ID=0当UGS高于VT时，漏源之间加电压后。ID=ID0（-1）2 ；IDO为2VT时的ID 当UDS小于等于UGS-VT时，进入可变电阻区 UGSVT
15、uGS iDgm=2ID0(UGS-1)VT=VT2IDID0VT第32页/共51页(3)IGFET（E）特性曲线UDS可变电阻区截止区IB0UDS=UGS-VTNMOS的输出特性曲线UGSV VA A ID放大区0击穿区UDS=5VUGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS的转移特性曲线第33页/共51页(4)主要参数：1）开启电压VT:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDO;VGS=2VT时的ID3)、电压控制电流系数gm=也称跨导（互导）4）交流输出电阻 rds=5)极限参数：V（BR）DS 漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）
16、GS 栅源间的最高反向击穿 PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。vgsidUds=常数udsidvgs=常数uds id2IDID0VT=第34页/共51页3）FET的三种工作组态以NMOS（E）为例：IDGRDSBUDSUGS输入输出共源组态：输入：GS输出：DSGRDDBUDSUGS输入输出共漏组态：输入：GS输出：DSGRDSBUDS输入输出共栅组态：输入：GS输出：DS第35页/共51页一一.结型场效应管结型场效应管 1.1.结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极 D：漏极 S：源极符号：3.4 场效应管
17、放大电路场效应管放大电路第36页/共51页2.2.结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS，令VDS=0 当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。第37页/共51页当VGS时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。当VGS到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压Up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。第38页/共51页（2 2）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压VDS，令VGS=0 由于VGS=0，所以导电沟道最宽。当VDS=0时，ID=0。VDSID 靠近漏极处的耗尽层
18、加宽，沟道变窄，呈楔形分布。第39页/共51页当VDS，使VGD=VG S-VDS=VP时，在靠漏极处夹断预夹断。预夹断前，VDSID。预夹断后，VDSID 几乎不变。VDS再，预夹断点下移。（3 3）栅源电压V VGSGS和漏源电压V VDSDS共同作用可用输两组特性曲线来描绘。ID=f（V VGS GS、V VDSDS）第40页/共51页（1）输出特性曲线：ID=f（V VDS DS）VGS=常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 四个区：可变电阻区：预夹断前。电流饱和区（恒流区）：预夹断后。特点：ID/V VGS GS 常数=g gm m 即：ID=g gm m V VGSGS（放大原理）
19、击穿区。夹断区（截止区）。第41页/共51页(a)漏极输出特性曲线 (b)转移特性曲演示：动画（2-6）动画（2-7）（2）转移特性曲线：ID=f（V VGS GS）VDS=常数第42页/共51页4.4.场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1)开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。（2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET,当VGS=0时所对应的漏极电流。（4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管,RGS可
20、达1091015。（5）低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6）最大漏极功耗PDM PDM=VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。第43页/共51页1.直流偏置电路：直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 二二.场效应管放大电路场效应管放大电路（1）自）自偏压电路偏压电路vGSvGS=-iDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=VDD-ID(Rd+R)已知VP，由-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDS 第44页/共51页（2）
21、分）分压式自式自偏压电路偏压电路VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出Q点的VGS、ID、VDS 计算Q点：已知VP，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。第45页/共51页2.场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。是输入电阻，理论值为无穷大。gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。是压
22、控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。第46页/共51页三三.放大电路1.共源放大电路共源放大电路第47页/共51页分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。（2）求电压放大倍数（3）求输入电阻（4）求输出电阻忽略 rd由输入输出回路得则则由于rgs=第48页/共51页（2）电压放大倍数（3）输入电阻得 分析：（1 1）画交流小信号等效电路。由2.共漏放大电路共漏放大电路第49页/共51页（4 4）输出电阻所以由图有第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页