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可编辑 1 低频电子线路 山东大学信息科学与工程学院刘志军 可编辑 2 上节课回顾 静态工作点稳态电路Q点不稳定的因素基极分压式射极电阻共射放大电路晶体管放大器的三种组态 可编辑 3 本节课内容 场效应晶体管结型场效应管 JFET 绝缘栅场效应管 IGFET 可编辑 4 1 4场效应晶体管 场效应晶体管 FieldEffectTransistor 简称FET 可编辑 5 1 4 1场效应管简介 场效应管是一种不同于前述双极型晶体管 BJT 的一种半导体器件 可编辑 6 两者工作机理不同 双极型晶体管 BJT 有两种载流子 多子 少子 场效应管 FET 有一种载流子 多子 可编辑 7 控制方式的不同 双极型晶体管 BJT 电流控制方式场效应管 FET 电压控制方式 可编辑 8 场效应管分类 分为两大类 结型场效应管 JFET 绝缘栅场效应管 IGFET 可编辑 9 MOS场效应管 MOSFET 在绝缘栅场效应管 IGFET 结构的器件中 最常见为金属 氧化物 半导体结构 Metal Oxide Semiconductor 故称为MOSFET 简称MOS器件 可编辑 10 JFET器件 JFET分为两类 N沟道JFETP沟道JFET 可编辑 11 MOSFET MOSFET分为 N沟道MOSFETP沟道MOSFET 可编辑 12 N沟道MOS N沟道MOS又分为N沟道增强型 Enhancement ENMOSFETN沟道耗尽型 Depletion DNMOSFET 可编辑 13 P沟道MOS P沟道MOS又分为P沟道增强型 Enhancement EPMOSFETP沟道耗尽型 Depletion DPMOSFET 可编辑 14 1 4 2结型场效应管 JFET 是一种利用PN结原理但与BJT截然不同的常见的FET 可编辑 15 1 符号和结构 注意场效应管的结构 原理和符号都不同于BJT 以下注意看结型场效应管 JFET 的情况 可编辑 16 JFET 图 可编辑 17 2 NJFET工作原理 以下以N沟道为例分析JFET工作原理 可编辑 18 外加偏置 管子工作要求外加电源保证静态设置 VDS漏极直流电压 加正向电压VGS栅极直流电压 加反向电压 可编辑 19 VGS栅极直流电压的作用 图 可编辑 20 看VGS的作用 不加VDS 横向电场作用 VGS PN结耗尽层宽度 沟道宽度 可编辑 21 VDS漏极直流电压的作用 图 可编辑 22 看VDS的作用 不加VGS 纵向电场作用在沟道造成楔型结构 上宽下窄 可编辑 23 VGS和VDS的综合作用 仍为楔型结构 图 可编辑 24 楔型结构 a点 顶端封闭 预夹断b点 底端封闭 全夹断 夹断 可编辑 25 说明 随沟道宽窄变化 使通过的载流子数量发生变化 即iD变化 VGS对iD的控制作用 可编辑 26 3 特性曲线 有两种特性 转移特性 思考为何不叫输入特性 输出特性 可编辑 27 转移特性 分析转移特性 可编辑 28 iD函数表达式 可编辑 29 转移特性 图 N沟道JFET转移特性曲线其中 IDSS为饱和电流VGS off 为夹断电压 VGS ID 0 IDSS VGS off 可编辑 30 输出特性 可编辑 31 输出特性 图 可编辑 32 1 4 3MOS场效应管 MOS场效应管是绝缘栅场效应管的一种主要形式 应用十分广泛 可编辑 33 MOSFET 图 可编辑 34 1 N沟道增强型 E型 MOSFET 以N沟道增强型MOSFET为例介绍MOS管的工作原理 可编辑 35 1 结构与符号 介绍N沟道增强型 E型 MOSFET的结构与符号 可编辑 36 结构与符号 图 可编辑 37 外加偏置 VGS 所加栅源电压垂直电场作用 注意为 VDS 所加漏源电压横向电场作用 注意也为 可编辑 38 工作原理分析 两种电场的作用 垂直电场作用横向电场作用 可编辑 39 VGS垂直电场作用 向下 VGS垂直电场作用 向下 吸引P衬底中自由电子向上运动 形成反型层 在P封底出现N型层 从而连通两个N 区 形成沟道 可编辑 40 2 VDS横向电场作用 使沟道成楔型 左宽右窄 VGSVGS th iD 0其中VGS th 为开启电压 可编辑 41 iD表达式 可编辑 42 iD表达式其中符号含义 COX 单位面积栅极电容 n 沟道电子的迁移率W 沟道宽度L 沟道长度W L MOS管宽长比 可编辑 43 2 特性曲线 特性曲线也是两种 转移特性输出特性 可编辑 44 转移特性 图 2020 1 3 45 可编辑 46 输出特性 图 可编辑 47 2 N沟道耗尽型MOSFET 以下分析N沟道耗尽型MOSFET结构原理 可编辑 48 1 结构和符号 请注意管子的结构特点和管子符号 可编辑 49 管子结构 图 可编辑 50 结构特点 SiO2中掺有钠离子 可以形成正电场 从P衬底中吸引电子向上运动 形成反型层 原始就有 加VGS 可正可负 后 可改变沟道宽窄 VDS压降使沟道形成楔形 可编辑 51 管子符号 图 见以下页面 可编辑 52 2 特性曲线 有两种特性曲线转移特性曲线输出特性曲线 可编辑 53 特性曲线 图 可编辑 54 1 4 4场效应管主要参数 特性参数可分直流参数和交流参数 可编辑 55 1 直流参数 直流参数与管子的工作条件有关夹断电压开启电压漏极饱和电流直流输入电阻 可编辑 56 1 夹断电压VGS OFF 适用于JFET和MOSFET当VGS VGS OFF 时 iD 0 可编辑 57 2 开启电压VGS TH 适用于增强型MOSFET当VGS VGS th 时 iD 0 可编辑 58 3 漏极饱和电流IDSS 当VGS 0时 VDS VGS off ID IDSS适用于耗尽型MOSFET和JFET 可编辑 59 4 直流输入电阻rGS 对JFET rGS大约108 109 对MOSFET rGS大约1011 1012 通常认为rGS 可编辑 60 2 极限参数 极限参数值是不允许超过的参数 漏极击穿电压栅源击穿电压最大功耗 可编辑 61 漏源击穿电压V BR DS 指对管子漏源间所允许加的最大电压 可编辑 62 栅源击穿电压V BR GS 指对管子栅源间所允许加的最大电压 可编辑 63 最大功耗PDM 管子的最大耗散功率PDM IDM VDS 可编辑 64 3 交流参数 交流参数与管子的工作目标 信号 有关 跨导输出电阻极间电容 可编辑 65 1 跨导gm 跨导gm的表达式 ms gm反映VGS对ID的控制能力 可编辑 66 跨导gm 图 见图是转移特性曲线上Q点的斜率值 与Q点有关 可编辑 67 分析 对于JFET和MOSFET 耗尽层 可编辑 68 分析 对应工作点Q的gm为式中IDQ为直流工作点电流 增大IDQ可提高gm 可编辑 69 分析 对于增强型MOSFET 可编辑 70 分析 对应工作点Q的gm为可见增大场效应管的宽长比和工作电流可提高gm 可编辑 71 2 输出电阻 表达式输出电阻rds反映了VDS对iD的影响 是共源输出特性曲线某一点切线斜率的倒数 可编辑 72 恒流特性 在恒流区iD几乎不随VDS变 恒流特性 可编辑 73 厄利电压 图 见图 可编辑 74 3 极间电容 栅源电容CGS由势垒和沟道电容组成 约0 1 1PF 栅漏电容CGD由势垒和沟道电容组成 约0 1 1PF 漏源电容CDS由封装和引线电容组成 约1 10PF 可编辑 75 各种FET管子符号 可编辑 76 3 各种场效应管特性曲线比较 见P40表1 4 2 可编辑 77 1 4 5场效应管和双极型晶体管比较 这两种晶体管有很大的不同 应用时请注意它们的特点 可编辑 78 BJT 导电机构 多子 少子 双极型 工作控制方式 流控输入阻抗 102 103放大能力 大工艺 复杂使用 C E不可置换辐射光照温度特性 不好抗干扰能力 差 可编辑 79 FET 导电机构 多子 单极型 工作控制方式 压控输入阻抗 108 1012放大能力 gm小工艺 简单 易集成使用 D S可置换辐射光照温度特性 好抗干扰能力 好 可编辑 80 比较的结果 两者各有特点 现在还不能互相取代 可编辑 81 使用FET的几点注意事项 保存测量焊接 可编