各种场效应管的原理和特性曲线讲解实用教案

1、 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件器件, ,也是一种具有正向受控作用也是一种具有正向受控作用(zuyng)(zuyng)的半导体的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。目前制造大规模集成电路的主要有源器件。 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 场效应管是单极(dn j)型器件（三极管是双极型器件）。 场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流）第1页/共36页第一页，共37页。绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管JFETP

2、P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道耗尽型（耗尽型（DMOS）增强型（增强型（EMOS） 沟道：指载流子流通的渠道、路径。沟道：指载流子流通的渠道、路径。N N沟道沟道是指以是指以N N型材料构成型材料构成(guchng)(guchng)的区域作为载流的区域作为载流子流通的路径；子流通的路径；P P沟道指以沟道指以P P型材料构成型材料构成(guchng)(guchng)的区域作为载流子流通的路径。的区域作为载流子流通的路径。第2页/共36页第二页，共37页。SGDSGDP+P+NGSDN沟道沟道JFETP沟道沟道JFETN+N+PGSD返回(fnh

3、u)第3页/共36页第三页，共37页。SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+NN+P+SGDUP+P沟道DMOSq DMOS管结构(jigu)VGS=0时，导电沟道已存在返回(fnhu)第4页/共36页第四页，共37页。PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUD返回(fnhu)第5页/共36页第五页，共37页。SGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOS场效应管MOSFET第6页/共36页第六页，共37页。返回(fnhu)第7页/共36页第七页，共37页。3.1 场效应管的工作场效应管的工作(gngzu)原

4、理原理返回(fnhu)第8页/共36页第八页，共37页。P+P+NGSD- + + VGSVDS+ + - -第9页/共36页第九页，共37页。|VGS | |VGS | VGS =VGS (off)若VDS=0NGSD- + + VGSP+P+NRon第10页/共36页第十页，共37页。q VDS对沟道的控制对沟道的控制(kngzh)（假设（假设VGS 一定）一定） VDS很小时(xiosh) VGD VGS由图 VGD = VGS - VDS因此(ync) VDSID线性 若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大。此时 Ron ID 变慢NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -此

5、时W近似不变即Ron不变第11页/共36页第十一页，共37页。NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -ANGSD- + + VGSP+P+VDS+- -A第12页/共36页第十二页，共37页。 VDS 0 (保证(bozhng)栅漏PN结反偏)。 U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。 VGS 0 (形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS- + - + - +- + VGS栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。第13页/共36页第十三页，共37页。 假设VDS =0，讨论(toln)VGS作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + - + VGS第14页/共3

6、6页第十四页，共37页。ID= f ( VGS )VDS = 常数：ID= f ( VDS )VGS = 常数：+TVDSIG 0VGSID+-第15页/共36页第十五页，共37页。输出特性曲线(qxin)可划分四个区域： ID只受UGS控制，而与UDS近似无关，表现出类似三极管 的正向(zhn xin)受控作用。 q 非饱和区（又称可变电阻区）特点(tdin)：ID同时受UGS与UDS的控制。ID/mAUDS /V0UDS = UGS UTUGS =5V3.5V4V4.5V非饱和区、饱和区、截止区、击穿区。q 饱和区（又称恒流区）特点：VGS(th)开启电压，开始有ID时对应的VGS值q 截

7、止区（ID =0以下的区域）q 击穿区IG0，ID0返回2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCI第16页/共36页第十六页，共37页。特点(tdin)：ID同时(tngsh)受VGS与VDS的控制。ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V条件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th)返回第18页/共36页第十八页，共37页。2GS(th)GSOXnD)(2VVlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC返回第19页/共36页第十九页

8、，共37页。特点(tdin)：相当于MOS管三个电极(dinj)断开。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V沟道未形成(xngchng)时的工作区条件：VGS 0，VGS 正、负、零均可。外部(wib)工作条件：第22页/共36页第二十二页，共37页。ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(off)VGS =0V- -2V- -1. 5V- -1V- -0. 5VID =0 时对应时对应(duyng)的的VGS值值 夹断电压夹断电压VGS（off） 。VGS=0 时对应的时对应的ID 值值 饱和饱和(boh)漏电漏电流流IDS

9、S。PJFET与NJFET的差别仅在于电压极性与电流方向相反在饱和区时的数学模型：2GS(off)GSDSSD1VVII第23页/共36页第二十三页，共37页。2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI2GS(off)GSDSSD1VVII第24页/共36页第二十四页，共37页。N沟道(u do)：VDS 0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off )VGS(th)VGS(th)VGS(off )P沟道(u do)：VDS VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假设成立。返回第28页/共36页第二十八页，共37页。q FET管高频小信号电路(dinl)模型

10、当高频应用、需计及管子(gun zi)极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs栅源极间平板电容漏源极间电容（漏衬与源衬之间的势垒电容）栅漏极间平板电容第29页/共36页第二十九页，共37页。gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- - rds为场效应管输出电阻： 由于(yuy)场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。)/(1CQceIr与三极管输出电阻表达式 相似。)/(1DQdsIrrbercebceibic+- - -+vbevceibq MOS MOS管简化小信号管简

11、化小信号(xnho)(xnho)电路模型电路模型( (与三极管与三极管对照对照) ) gm第30页/共36页第三十页，共37页。FET跨导QGSDmvigDQOXQGSDm22IlWCvig得 通常(tngchng)MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。(MOSFET管）DSSDQm0DSSDQGS(off)DSS)(GS(off)DSSQGSDm2)1 (2IIgIIVIVVVIvigoffGSGSQ(JFET）返回(fnhu)第31页/共36页第三十一页，共37页。 场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作(gngzu)点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。 场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路(dinl)时，一定要注意自身特点。第32页/共36页第三十二页，共37页。 MOS管截止模式判断(pndun)方法假定(jidng)MOS管工作在放大模式：放大(fngd)模式非饱和模式（需重新计算Q点）N沟道管：VGS