第22章三极管场效应管

1、P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N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(IGFET)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：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：2.2 结型场效应管结型场效应管 2.2.1 结型场效应管的结构结型场效应管的结构 2.2.2 结型场效应管的工作原理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结型场效应管的特

2、性曲线2.2.1 结型场效应管的结构结型场效应管的结构在在N型半导体硅片型半导体硅片的两侧各制造一个的两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型型沟道的结构。沟道的结构。P区区即为栅极，即为栅极，N型硅型硅的一端是漏极，另的一端是漏极，另一端是源极。一端是源极。2.2.2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压vGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，

3、VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。 vDS对沟道的影响作用对沟道的影响作用当当vGS=0时，时， vDS iD g、d间间PN结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现极处出现预夹断预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS L 2.3.

4、1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构N沟道增强型沟道增强型MOSFET基本上是一基本上是一种左右对称的拓扑结种左右对称的拓扑结构，它是在构，它是在P型半导体型半导体上生成一层上生成一层SiO2 薄膜薄膜绝缘层，然后用光刻绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂工艺扩散两个高掺杂的的N型区，从型区，从N型区引型区引出电极出电极剖面图剖面图符号符号G栅极（基极）栅极（基极）S源极（发射极）源极（发射极）D漏极（集电极）漏极（集电极）B衬底衬底由于栅极通过由于栅极通过SiO2层与衬底层与衬底绝缘，故绝缘，故MOSFET又称为绝又称为绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。（1）vGS对沟道的控制作用

5、对沟道的控制作用当当vGSGS00时时漏源之间相当两个背靠背的二极管，无导电漏源之间相当两个背靠背的二极管，无导电沟道，沟道， d、s间加电压时，不会形成电流。间加电压时，不会形成电流。当当00vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD= =V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现在紧靠漏极处出现预夹断预夹断。（2）vDS对沟道的影响对沟道的影响在预夹断处：在预夹

6、断处：vGDGD= =vGSGS- -vDS DS = =V VT T预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基本不变（2）vDS对沟道的影响对沟道的影响（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS GS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDS DS 曲线。曲线。（4）正常放大时外加偏置电压的要求正常放大时外加偏置电压的要求:0DSVTVv GSTVvvGSDS（1）输出特性：）输出特性：const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟时，导

7、电沟道尚未形成，道尚未形成，iD0，为截止工作状态。为截止工作状态。2.3.3 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的特性曲线的特性曲线对于共源电路对于共源电路const.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常常数数 GSDDSdsoddvvir)(TGSnVK v21rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n ：反型层中电子迁移率：反型层

8、中电子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnCK LWCLWKK22oxnnn其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS VT ，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V- -I I 特性：特性： )(22DSDSTGSnDvvv VKi输入电压与输出电流间的关系曲线，对输入电压

9、与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即：于共源电路，即：const.GSDDS)( vvficonst.GSDDS)( vvfi（2）转移特性）转移特性21)(TGSDOD VIivvGSVT时，时，iD=0随随vGS线性增加线性增加2.3.4 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET在栅极下方的在栅极下方的SiO2层层中掺入了大量的金属中掺入了大量的金属正离子。所以当正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经时，这些正离子已经在在P型表面感应出反型型表面感应出反型层，在漏源之间形成层，在漏源之间形成了了沟道沟道。于是只要有。于是只要有漏源电压，就有漏极漏源电压，就有漏极电流存在。电流存在。二氧化

10、硅绝缘层中掺有大量的正离子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，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流21)(TGSDOD VIiv增强型增强型输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线21)(PGSDSSDVIiv 耗尽型耗尽型IDSS称为漏极饱和电流称为漏极饱和电流VP称为夹断电压称为夹断电压特性曲线特性曲线uPMOS管结构和工作原理与管结构和工作原理与NMOS管类似，管类似，但正常放大时所外加的直流偏置极性与但正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管相反。管相反。uPMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺管的优点是工艺简单，制作方

11、便；缺点是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制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。作的电路接口。uPMOS管速度较低，现已很少单独使用，主管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和要用于和NMOS管构成管构成CMOS电路。电路。2.3.5 P沟道沟道MOSFETP沟道沟道MOSFET：耗尽型：耗尽型：当当vGS0 时，存在导电沟道，时，存在导电沟道，iD00 增强型：增强型：当当vGS0 时，没有导电沟道，时，没有导电沟道，iD0 0 电电路路符符号号耗尽型与增强型耗尽型与增强型MOSMOS管的差异管的差异N沟沟道道增增强强型型绝缘栅场效应管P沟沟道道增增强强型型各类场效应管的

12、特性曲线比较各类场效应管的特性曲线比较绝缘栅场效应管各类场效应管的特性曲线各类场效应管的特性曲线比较比较N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型结型场效应管各类场效应管的特性曲线各类场效应管的特性曲线比较比较N沟沟道道P沟沟道道2.4 场效应管的主要参数管场效应管的主要参数管2.4.1直流参数直流参数2.4.2交流参数交流参数2.4.3极限参数极限参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数直流参数：直流参数：1. 1. 开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2. 2. 夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源

13、电压增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。场效应管不能导通。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vDS为某一固定为某一固定值，使漏极电流为零时的值，使漏极电流为零时的vGS称为夹断电压称为夹断电压VP 。3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ） 当当VGS=0时，时，VDS|VP|时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可

14、认为无穷大。阻非常大，理想时可认为无穷大。交流参数：交流参数： 1. 1. 输出电阻输出电阻r rdsds 低频互导指漏极电流变化量与栅压变化量的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。比值，代表转移特性曲线的斜率。DSDmVGSigvGSDDSdsVir v当不考虑沟道调制效应时，在线性放大区当不考虑沟道调制效应时，在线性放大区rdsds 2. 2. 低频互导低频互导g gm m 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 低频互导低频互导g gm m 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKi

15、gvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWCK 2oxnn其中其中对于对于N沟道增强型沟道增强型MOSFET ：极限参数：极限参数： 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 最大耗散功耗可由最大耗散功耗可由PDM= VDS ID决定，决定，与双极型三极管的与双极型三极管的PCM相当。相当。场效应管使用时的注意点场效应管使用时的注意点N衬底接高电位，衬底接高电位，P衬底接低电位

16、。当源极电位衬底接低电位。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。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的源极和漏极可互换，但当源已与衬底相连时不能互换。时不能互换。由于由于FET的输入电阻很大，易产生静电击穿，无的输入电阻很大，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，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，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。防止损坏管子。双极型三极管场效应三极管结构结构NPN型，型，PNP型型C与与E不可倒置使用不可倒置使用结型耗尽型：结型耗尽型： N沟道沟道 P沟道沟道MOS增强型：增强型： N沟道沟道 P沟道沟道MOS耗尽型：耗尽型： N沟道沟道 P沟道沟道D与与S可倒置使用可倒置使用载流子载流子多子、少子均参与导多子、少子均参与导电电多子参与导电多子参与导电输入量输入量电流