第2-2章三极管_场效应管

1、场效应管的分类：,增强型,MOSFET,(IGFET),绝缘栅型,JFET,结型,N,沟道,P,沟道,FET,场效应管,耗尽型,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,（耗尽型）,耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,2.2,结型场效应管,2.2.1,结型场效应管的结构,2.2.2,结型场效应管的工作原理,2.2.3,结型场效应管的特性曲线,2.2.1,结型场效应管的结构,在,N,型半导体硅片,的两侧各制造一个,PN,结，形成两个,PN,结夹着一个,N,型,沟道的结构。,P,区,即为栅极，,N,型硅,的一端是漏极，另,一端是源极

2、。,#,符号中的箭头方向表示什么？,2.2.2,结型场效应管的工作原理,（以,N,沟道,JFET,为例）,v,GS,对沟道的控制作用,当,v,GS,0,时,PN,结反偏,?,耗尽层加厚,?,沟道变窄。,v,GS,继续减小，沟道,继续变窄。,当沟道夹断时，对应,的栅源电压,v,GS,称为,夹断,电压,V,P,（,或,V,GS(off),）。,对于,N,沟道的,JFET,，,V,P,0,。,v,DS,对沟道的影响作用,当,v,GS,=0,时，,v,DS,?,?,i,D,?,g,、,d,间,PN,结的反向,电压增加，使靠近漏极,处的耗尽层加宽，沟道,变窄，从上至下呈楔形,分布。,当,v,DS,增加到

3、使,v,GD,=,V,P,时，在紧靠漏,极处出现,预夹断,。,此时,v,DS,?,?,夹断区延长,?,沟道电阻,?,?,i,D,基本不变,v,GS,和,v,DS,同时作用时,当,V,P,v,GS,0,时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的,v,DS,，,i,D,的值比,v,GS,=0,时的值要小。,在预夹断处,v,GD,=,v,GS,-,v,DS,=,V,P,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，,所以场效应管也称为单极型三极管。,?,JFET,栅极与沟道间的,PN,结是反向偏置的，因,此,i,G,?,0,，输入电阻很高。,?,JFET,是电压控制电流器件，,i,D,受,v,

4、GS,控制。,?,预夹断前,i,D,与,v,DS,呈近似线性关系；预夹断后，,i,D,趋于饱和。,#,为什么,JFET,的输入电阻比,BJT,高得多？,2.2.3,结型场效应管的特性曲线,1.,输出特性,i,D,?,f,(,v,DS,),v,GS,?,const.,v,GS,2,在放大区：,i,D,?,I,DSS,(1,?,V,),P,2.,转移特性,i,D,?,f,(,v,GS,),v,DS,?,const.,v,GD,?,v,GS,-,v,DS,?,V,P,(a),N,沟道结型,FET,输出特性曲线,(b) N,沟道结型,FET,转移特性曲线,2.3,金属,-,氧化物,-,半导体（,MOS

5、,）场效应管,2.3.1 N,沟道增强型,MOSFET,的结构,2.3.2 N,沟道增强型,MOSFET,的工作原理,2.3.3 N,沟道增强型,MOSFET,的特性曲线,2.3.4 N,沟道耗尽型,MOSFET,2.3.5,P,沟道,MOSFET,MOS,管分类,金,属,氧,化,物,半,导,体,三,极,管,增强型（,E,型）,N,沟道,P,沟道,耗尽型（,D,型）,N,沟道,P,沟道,耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道,2.3.1 N,沟道增强型,MOSFET,的结构,L,：沟道长度,W,：沟道宽度,通常,W,L,N,沟道增

6、强型,MOSFET,基本上是一,种左右对称的拓扑结,构，它是在,P,型半导体,上生成一层,SiO,2,薄膜,绝缘层，然后用光刻,工艺扩散两个高掺杂,的,N,型区，从,N,型区引,出电极,t,ox,：绝缘层厚度,G,栅极（基极）,S,源极（发射极）,D,漏极（集电极）,B,衬底,由于栅极通过,SiO,2,层与衬底,绝缘，故,MOSFET,又称为绝,缘栅场效应管。,剖面图,符号,2.3.2 N,沟道增强型,MOSFET,的工作原理,（,1,）,v,GS,对沟道的控制作用,当,v,GS,0时,漏源之间相当两个背靠背的二极管，无导电,沟道，,d,、,s,间加电压时，不会形成电流。,当,0,v,GS,V

7、,T,时,产生电场，但未形成导电沟道（感生沟,道），,d,、,s,间加电压后，不会形成电流。,当,v,GS,V,T,时,在电场作用下产生导电沟道，,d,、,s,间加,电压后，将有漏极电流,i,D,产生。且外加的,v,GS,在栅极下方形成的导电沟,越大，,i,D,也越大。,道中的电子，因与,P,型半导,v,GS,越大，导电沟道越厚,体的多数载流子空穴极性,相反，故称为,反型层,。,V,T,称为开启电压,（,2,）,v,DS,对沟道的影响,当,v,GS,一定（,v,GS,V,T,）时，,v,DS,?,?,i,D,?,?,沟道电位梯度,?,靠近漏极,d,处的电位升高,电场强度减小,?,沟道变薄,整个

8、沟道呈楔形分布,?,?,（,2,）,v,DS,对沟道的影响,当,v,GS,一定（,v,GS,V,T,）时，,v,DS,?,?,i,D,?,?,沟道电位梯度,?,当,v,DS,增加到使,v,GD,=,V,T,时，,在紧靠漏极处出现,预夹断,。,在预夹断处：,v,GD,=,v,GS,-,v,DS,=,V,T,（,2,）,v,DS,对沟道的影响,预夹断后，,v,DS,?,?,夹断区延长,?,沟道电阻,?,?,i,D,基本不变,（,3,）,v,DS,和,v,GS,同时作用时,v,DS,一定，,v,GS,变化时,给定一个,v,的,i,GS,，就有一条不同,D,v,DS,曲线。,（,4,）正常放大时外加偏

9、置电压的要求,:,v,G,S,?,V,T,v,DS,?,v,GS,?,V,T,V,DS,?,0,2.3.3 N,沟道增强型,MOSFET,的特性曲线,（,1,）输出特性：,对于共源电路,i,D,?,f,(,v,DS,),v,GS,?,const.,截止区,当,v,GS,V,T,时，导电沟,道尚未形成，,i,D,0,，,为截止工作状态。,i,D,?,f,(,v,DS,),v,GS,?,const.,可变电阻区,v,DS,（,v,GS,V,T,）,i,D,?,K,n,2,(,v,GS,?,V,T,),v,DS,?,v,2,DS,由于,v,DS,较小，可近似为,i,D,?,2,K,n,(,v,GS,

10、?,V,T,),v,DS,r,dso,d,v,DS,?,d,i,D,?,1,2,K,n,(,v,GS,?,V,T,),v,GS,?,常,数,r,dso,是一个受,v,GS,控制的可变电阻,可变电阻区,i,D,?,2,K,n,(,v,GS,?,V,T,),v,DS,r,1,dso,?,2,K,n,(,v,GS,?,V,T,),其中,K,K,n,?,?,W,n,n,?,2,L,?,C,ox,?,2,?,W,?,?,L,?,?,?,n,：反型层中电子迁移率,C,ox,：栅极（与衬底间）氧,化层单位面积电容,K,n,?,?,n,C,ox,本征电导因子,K,n,为电导常数，单位：,mA/V,2,饱和区,

11、（恒流区又称放大区）,i,D,?,K,n,2,(,v,GS,?,V,T,),v,DS,?,v,2,DS,v,GS,V,T,，且,v,DS,（,v,GS,V,T,）,V,-,I,特性：,i,D,?,K,n,(,v,GS,?,V,T,),?,2,v,GS,K,n,V,T,(,V,T,2,?,1,),2,v,GS,2,?,I,DO,(,?,1,),V,T,I,DO,?,2,K,n,V,T,是,v,GS,2,V,T,时的,i,D,（,2,）转移特性,v,GS,2,i,D,?,I,DO,(,?,1,),V,T,输入电压与输出电流间的关系曲线，对,i,D,?,f,(,v,GS,),v,DS,?,const

12、.,于共源电路，即：,i,D,?,f,(,v,GS,),v,DS,?,const.,v,GS,V,T,时，,i,D,=0,v,GS,V,T,时，,i,D,=0,随,v,GS,线性增加,2.3.4 N,沟道耗尽型,MOSFET,在栅极下方的,SiO,2,层,中掺入了大量的金属,正离子。所以当,V,GS,=0,时，这些正离子已经,在,P,型表面感应出反型,层，在漏源之间形成,了,沟道,。于是只要有,漏源电压，就有漏极,电流存在。,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,V,P,称为夹断电压,增强型,v,GS,2,i,D

13、,?,I,DO,(,?,1,),V,T,耗尽型,v,GS,2,i,D,?,I,DSS,(,1,?,),V,P,I,DSS,称为漏极饱和电流,2.3.5,P,沟道,MOSFET,?,PMOS,管结构和工作原理与,NMOS,管类似，,但正常放大时所外加的直流偏置极性与,NMOS,管相反。,?,PMOS,管的优点是工艺简单，制作方便；缺,点是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制,作的电路接口。,?,PMOS,管速度较低，现已很少单独使用，主,要用于和,NMOS,管构成,CMOS,电路。,MOSFET,：,P,沟道,耗尽型与增强型,MOS,管的差异,电,路,符,号,耗尽型：,增强型：,v,GS,0,时

14、，存在导电沟道，,i,D,0,v,GS,0,时，没有导电沟道，,i,D,0,当,当,各类场效应管的特性曲线比较,绝,缘,栅,场,效,应,管,N,沟,道,增,强,型,P,沟,道,增,强,型,各类场效应管的特性曲线,比较,绝,缘,栅,场,效,应,管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,各类场效应管的特性曲线,比较,结,型,场,效,应,管,N,沟,道,P,沟,道,2.4,场效应管的主要参数管,2.4.1,直流参数,2.4.2,交流参数,2.4.3,极限参数,场效应管的主要参数,直流参数：,1.,开启电压,V,T,（增强型参数）,开启电压是,MOS,增强型管的参数，栅源电压,小于开启电压的

15、绝对值,场效应管不能导通。,2.,夹断电压,V,P,（耗尽型参数）,夹断电压是耗尽型,FET,的参数，当,v,DS,为某一固定,值，使漏极电流为零时的,v,GS,称为夹断电压,V,P,。,3.,饱和漏电流,I,DSS,（耗尽型参数）,当,V,电流。,GS,=0,时，,V,DS,|V,P,|,时所对应的漏极,4.,直流输入电阻,R,GS,（,10,9,10,15,）,MOS,管由于栅极绝缘，所以其输入电,阻非常大，理想时可认为无穷大。,交流参数：,?,v,1.,输出电阻,r,ds,r,ds,?,DS,?,i,D,V,GS,当不考虑沟道调制效应时，在线性放大区,r,ds,2.,低频互导,g,m,g

16、,?,i,D,m,?,?,v,V,DS,GS,低频互导指漏极电流变化量与栅压变化量的,比值，代表转移特性曲线的斜率。,5.1.5 MOSFET,的主要参数,低频互导,g,m,?,i,D,g,m,?,?,v,GS,V,DS,对于,N,沟道增强型,MOSFET,：,考虑到,i,D,?,K,n,(,v,GS,?,V,T,),则,?,i,D,g,m,?,?,v,GS,2,i,D,(,v,GS,?,V,T,),?,K,n,V,DS,V,DS,?,K,n,(,v,GS,?,V,T,),2,?,?,v,GS,?,2,K,n,(,v,GS,?,V,T,),?,2,K,n,i,D,其中,n,C,ox,W,K,n

17、,?,?,2,L,极限参数：,1.,最大漏极电流,I,DM,2.,最大耗散功率,P,DM,最大耗散功耗可由,P,与双极型三极管的,P,DM,=,V,DS,I,D,决定，,CM,相当。,3.,最大漏源电压,V,（,BR,）,DS,4.,最大栅源电压,V,（,BR,）,GS,场效应管使用时的注意点,N,衬底接高电位，,P,衬底接低电位。当源极电位,很高或很低时，为减轻源衬电压对管子性能的影,响，可将源极与衬底相连。,FET,的源极和漏极可互换，但当源已与衬底相连,时不能互换。,由于,FET,的输入电阻很大，易产生静电击穿，无,论在存放和使用时，都不能将栅极悬空。同时，,焊接时电烙铁需有外接地线，以屏蔽交流电场，,防止损坏管子。,BJT,与,FET,的比较,双极型三极管,结构,NPN,型，,PNP,型,C,与,E,不可