模拟电路课件1.4场效应管

1、1.4.1 结型场效应管结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 场效应管：场效应管： 利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种 较新型的半导体器件较新型的半导体器件，其外形与普通晶体管相似，其外形与普通晶体管相似， 但两者的控制特性却截然相反。但两者的控制特性却截然相反。 普通晶体管通过控制基极电流达到控制集电极电流普通晶体管通过控制基极电流达到控制集电极电流 或发射极电流的目的。场效应管的输出电流决定于或发射极电流的目

2、的。场效应管的输出电流决定于 输入端电压的大小，是电压控制元件。输入端电压的大小，是电压控制元件。 特点：特点： 输入电阻高输入电阻高107 1012 噪声低、热稳定性好、噪声低、热稳定性好、 抗辐射能力强、功耗小。抗辐射能力强、功耗小。 类型：类型： 结型场效应管（结型场效应管（JFET) 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFET） 单极型晶体管单极型晶体管（仅靠半导体中多数载流子导电）（仅靠半导体中多数载流子导电） 电压型电压型控制元件控制元件 (1) N 沟沟道道管管 s 源极源极 d 漏极漏极 g 栅极栅极 g s d P P N (2) P 沟沟 道道 管管 g S d P

3、N N g 栅极栅极 d 漏极漏极 S源极源极 导导电电沟沟道道为为P型型半半导导体体，称称为为P型型 沟沟道道管管。 1.4.1 结型场效应管结型场效应管 2.工作原理工作原理 PN结空间电荷区结空间电荷区(即耗尽层即耗尽层)的宽度是随着加在的宽度是随着加在PN结上的反向电结上的反向电 相关知相关知 识识 图图1.4.3 uDS 0时时uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用 (a) uGS=0=0 (c) uGSUGS(off) (b) uGS(off) uGS0 0 (a) uGS=0, (b) UGS(off)uGS0， UGS(off)夹断电压夹断电压 P+ 压的大小而变化的。

4、反向电压越大，耗尽层越宽；反之，则越窄。压的大小而变化的。反向电压越大，耗尽层越宽；反之，则越窄。JFET 就是利用就是利用PN结的这个性质，通过改变栅压结的这个性质，通过改变栅压uGS来改变沟道电阻，进而改变来改变沟道电阻，进而改变 s、d极间的电流极间的电流iD。 (c) uGSUGS(off) （1 1）当当uDS=0，uGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 沟道变窄沟道变窄 沟道夹断沟道夹断 沟道最宽沟道最宽, , iD =0 =0 （2） uGS为为 UGS(off)uGS0 0中某一定值时，中某一定值时，uDS对漏极电流的影响对漏极电流的影响 uGD=uGS -uDS 图图1.4.

5、4 UGS(off) uGS 0的情况的情况 (a) uGDUGS(off） ） (b) uGD=UGS(off） ） (c)uGDUGS(off) 当当 uDS=0, uGD= uGS ，沟道等宽，沟道等宽，iD=0 当当 (a) uDS0, 沟道沟道各点电位不等，且不等宽各点电位不等，且不等宽 (b) uDSuGD=uGS uDS= UGS(off) 沟道预夹断沟道预夹断 (c) uDS ，夹断区延长，夹断区延长 （3 3）uGDUGS(off)， uGS对对iD的控制作用的控制作用 当当uDS一定时，改变一定时，改变uGS iD随之变化随之变化 P+ iD 0 综上所述，可得综上所述，可

6、得JFET导电的如下几个特性：导电的如下几个特性： 在在uDS不变的情况下，不变的情况下，uGS的微小变化可以引起的微小变化可以引起iD比较大的比较大的 变化，故称变化，故称FET为为电压型电压型控制元件。控制原理是电场对控制元件。控制原理是电场对 PN结的控制，故为体内场效应器件。结的控制，故为体内场效应器件。 因为因为G、S极间加反向偏电压，两个极间加反向偏电压，两个P+N结截止，栅极电流结截止，栅极电流 iG00，故，故JFETJFET的的输入电阻很大输入电阻很大。输入特性改为讨论转移特性。输入特性改为讨论转移特性。 与与BJT相类似，当漏极接上负载电阻相类似，当漏极接上负载电阻RD后，

7、在后，在RD上可以得上可以得 到放大了的变化电压。到放大了的变化电压。 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， 所以场效所以场效 应管也称为单极型三极管应管也称为单极型三极管。 3.3.结型场效应管特性曲线结型场效应管特性曲线 1)1)输出特性曲线输出特性曲线()| GS DDSu if u 常数 图图1.4.5 场效应管的输出特性场效应管的输出特性 (1)可变电阻区（非饱和区）：可变电阻区（非饱和区）： 预夹断轨迹：指各条曲线上使预夹断轨迹：指各条曲线上使uDS= uGS uGS(off) 的点连接而成。的点连接而成。 因因 uGD= uGS uDS

8、 当当 uGD = uGS(off) uDS较小较小 uGS 一定一定， uDS iD rDS为一常数为一常数 uGS 改变，改变， rDS 随之改变随之改变 （2 2）恒流区）恒流区（饱和区饱和区）：uGDUGS(off) uGS 一定，一定， iD几乎不随几乎不随uDS变化变化 uDS 一定，一定，iD随随uGS变化变化 （3 3）夹断区）夹断区：uGS uGS(off)， iD0 已知输出特性绘制转移特性已知输出特性绘制转移特性 图图1.4.6 场效应管的转移特性曲线场效应管的转移特性曲线 ()| DS DGSu if u 常数 uGS=0时，产生预夹断点的电流。时，产生预夹断点的电流。

9、 IDSS饱和漏极电流：饱和漏极电流： 2)转移特性曲线转移特性曲线 在恒流区内，在恒流区内， ) 0 ( )1 ( )( 2 )( GSoffGS offGS GS DSSD uU U u Ii 1.4.2 1.4.2 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSMOS管管) ) MOS MOS管管的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。 所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓 度发生变化的现象。度发生变化的现象。 MOSMOS管管 uGS=0时，就存在导电沟道时，就存在导

10、电沟道(iD0) uGS=0时，不存在导电沟道时，不存在导电沟道(iD=0) 耗尽型：耗尽型： 增强型：增强型： 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 1. N沟道增强型沟道增强型MOSFET 1)结构示意图和符号结构示意图和符号 D ( Drain )为漏极，相当于集电为漏极，相当于集电 极极C；G ( Gate )为栅极，相当于为栅极，相当于 基极基极B ; S ( Source ) 为源极，相为源极，相 当于发射极当于发射极E。

11、 N沟道增强型沟道增强型MOSFET是在是在P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiO2 薄薄 膜绝缘层，扩散两个高掺杂的膜绝缘层，扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引出电极，一个型区引出电极，一个 是漏极是漏极D，一个是源极，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层 金属铝作为栅极金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号型半导体称为衬底，用符号B表示。因为表示。因为 栅极与其他电极及硅片之间是绝缘的栅极与其他电极及硅片之间是绝缘的,故又称绝缘栅场效应管。故又称绝缘栅场效应管。 结构：金属(Al)氧化物(SIO2)半导体 2)工作原理工作原理

12、 uDS 0时，时，uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 uGS=0(G、S极间短路极间短路)：两个两个N+区与区与P区三者间形成两个背靠区三者间形成两个背靠 PN+结处于反偏，故漏极电流结处于反偏，故漏极电流iD 0，管子截止。，管子截止。 背的背的PN+结，如图所示。结，如图所示。这时不管这时不管uDS的极性如何，总会有一个的极性如何，总会有一个 B S G VDD D N+N+ P P PN+ +结结 PN+ +结结 P型衬底型衬底 图图1.4.8 uDS 0时时uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 第一种情况，第一种情况，0uGS UGS(th) ， 第二种情况，第二种情况，uGS

13、 UGS(th) ， uGS0： uDS=0=0。 这里的这里的UGS(th th) ) 为开启电压， 为开启电压， 栅极和衬底相当于充有绝缘介质的栅极和衬底相当于充有绝缘介质的 平平板电容器。板电容器。 UGS(th) 0 0，其值约为，其值约为2V2V 10V10V。 在在P P型硅表面形成一个电子薄层型硅表面形成一个电子薄层 D、S间沟道形成。间沟道形成。 uGS越大，越大， 沟道愈厚，沟道电阻愈小。沟道愈厚，沟道电阻愈小。 uGSUGS(th)的某一值时，的某一值时，uDS对对iD的影响的影响 图图1.4.9 uGS为大于为大于UGS(th)的某一值时的某一值时uDS对对iD的影响的影

14、响 (a)(a)uDS uGS -uGS(th) (b)(b)uDS= uGS -uGS(th) (c)(c)uDS uGS -uGS(th) uDS较小时，较小时， uDS继续增加，使漏极处沟道缩减到刚开启的情况，称预夹断。继续增加，使漏极处沟道缩减到刚开启的情况，称预夹断。 uDS再增加，预夹断区域加长，伸向再增加，预夹断区域加长，伸向S极。极。 VDS增加部分基本降落增加部分基本降落 在随之加长的夹断沟道上，在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。基本趋于不变。 iD随随VDS增加而增加，沟道存在电位梯度，不等宽。增加而增加，沟道存在电位梯度，不等宽。 3 3）特性曲线与电流方程）特

15、性曲线与电流方程 图图1.4.10 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线 (a)(a)转移特性转移特性(b)(b)输出特性输出特性 在恒流区，在恒流区， 2 )( ) 1( thGS GS DOD u u Ii DthGSGSDO iuuI对应的 )( 2 2.N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS 同增强型区别：同增强型区别： 这种管子在制造时已在这种管子在制造时已在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子会把电子绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子会把电子 吸引到表面，形成原始的电子沟道吸引到表面，形成原始的电子沟道(N沟道沟道)，如图示。，如图示。 即使在即使在uGS=0

16、时，时，NMOS管也能在管也能在uDS的的 作用下，产生漏极电流作用下，产生漏极电流iD=IDSS。 。即只要 即只要 有漏源电压，就有漏极电流存在。有漏源电压，就有漏极电流存在。 若若uGS0，感应电荷减少，感应电荷减少，则削弱了正离则削弱了正离 子的作用，子的作用， iD将减小；将减小； 若若uGS0，感应电荷增大，则增强了正离，感应电荷增大，则增强了正离 子的作用，子的作用， iD增加。增加。 当当uGS下降到下降到uGS=UGS(off)(0)，导电沟道，导电沟道 消失，消失， iD 0 P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与 N沟道沟道MOSFET完全相同，只不过完全相同，只

17、不过 导电的载流子不同，供电电压极性导电的载流子不同，供电电压极性 不同而已。这如同双极型三极管有不同而已。这如同双极型三极管有 NPN型和型和PNP型一样。型一样。 3. P P沟道沟道MOSFET 1.4.3 1.4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 1)直流参数直流参数 (1)夹断电压夹断电压UGS(off) ：uDS一定，使一定，使iD某一规定值某一规定值(0或或5 A)的的uGS。 (3)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：uGS=0，产生预夹断（，产生预夹断（uDS|UGS(off)|）时的）时的iD。 (4)直流输入电阻直流输入电阻RGS：uDS=0时，时，uGS与与iG之

18、比的比值。之比的比值。 (2)开启电压开启电压UGS(th)：uDS一定，使一定，使iD某一规定值（某一规定值（5A)的的uGS。 GS GS GS I U R 即 uDS一定时，一定时，iD与与uGS的微变量之比的比值，即的微变量之比的比值，即 2) 交流参数交流参数 (1)低频跨导低频跨导(或称互导或称互导)gm | DS D mu GS i g u 常数 （由于（由于iG0，故，故RGS很高，一般大于很高，一般大于108。）。） gm反映了反映了uGS对对iD的控制能力，的控制能力， 一般，一般，G与与S和和G与与D间之电容间之电容Cgs和和Cgd约为约为1pF3pF，D与与S之间之间(

19、2)极间电容极间电容: 电容电容Cds约为约为0.1pF1pF。 3) 极限参数极限参数 (1)漏极最大耗散功率漏极最大耗散功率PDM、漏极最大允许电流、漏极最大允许电流IDM，同，同BJT的的PCM、ICM类同类同 (2)击穿电压：击穿电压： 击穿电压击穿电压U(BR)DS uDS增大到使增大到使iD开始急剧增加，发生雪崩击穿时的开始急剧增加，发生雪崩击穿时的uDS值。使用时值。使用时uDS不不 能超过此值。能超过此值。 击穿电压击穿电压U(BR)GS 指指G、S间间P+N结的反向击穿电压。若结的反向击穿电压。若UGS超过此值，超过此值，P+N结将被击穿。结将被击穿。 两种方式来控制导电沟道

20、的宽窄，以改变漏极电流两种方式来控制导电沟道的宽窄，以改变漏极电流iD的大小。的大小。 MOS管与管与JFET管管虽然都是利用电场的强弱来改变导电沟道的宽窄，虽然都是利用电场的强弱来改变导电沟道的宽窄， 但采用的方式不同：但采用的方式不同：JFET是通过是通过PN结反偏时产生的耗尽层大小；结反偏时产生的耗尽层大小； MOS管是通过绝缘栅在外加电压作用下感应电荷的管是通过绝缘栅在外加电压作用下感应电荷的多少。采用这样多少。采用这样 综上所述：综上所述： MOSFET的符号的符号符号中符号中D、S间的连线表示导电沟道的性质。其具体间的连线表示导电沟道的性质。其具体 S、D极的互换性极的互换性 通常通常MOS管在使用时，管在使用时，S、D极可以互换，极可以互换， 但有些管子在出厂时，源极但有些管子在出厂时，源极S与衬底与衬底B已被连好已被连好 ，这些管子就不能随便交换，这些管子就不能随便交换S极和极和D极了。极了。 符号中各电极的符号符号中各电极的符号，表示正常工作，表示正常工作 是增强