场效应三极管ppt课件

1、只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管，场效应管，也称也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。DSGN符符号号1.4.1 结型场效应管结型场效应管1、结构、结构N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结

2、结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS2、工作原理、工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电流大小来

3、控制漏极电流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。 在漏极与源极间电压一定时，在漏极与源极间电压一定时，漏极电流漏极电流iD的大小取决于沟道的电阻，的大小取决于沟道的电阻，当材料电阻率和沟道长度一定时，当材料电阻率和沟道长度一定时，沟

4、道的电阻，主要由导电沟道的有沟道的电阻，主要由导电沟道的有效截面积决定，因此，通过改变导效截面积决定，因此，通过改变导电沟道的截面积，就可以控制漏极电沟道的截面积，就可以控制漏极电流电流iD的大小。的大小。 1）沟道电流的可控性）沟道电流的可控性iD2）栅源电压改变沟道大小）栅源电压改变沟道大小 当漏极与源极之间的电压不变时，当漏极与源极之间的电压不变时，改变两个改变两个PN结耗尽层的大小，就可结耗尽层的大小，就可以控制导电沟道的有效截面积的大小，以控制导电沟道的有效截面积的大小，也就改变沟道的导电能力。在栅极和也就改变沟道的导电能力。在栅极和源极之间加上负电压（即源极之间加上负电压（即uGS

5、 0），），此时两个此时两个PN结均为反向偏置，加大结均为反向偏置，加大这个反偏电压，耗尽层不断变宽，沟这个反偏电压，耗尽层不断变宽，沟道的导电截面积逐渐减小，沟道电阻道的导电截面积逐渐减小，沟道电阻就随之增大，漏极电流就随之增大，漏极电流iD将减小。当将减小。当减小栅源间的反向偏置电压时，漏极减小栅源间的反向偏置电压时，漏极电流将增大。电流将增大。这就是结型场效应管的这就是结型场效应管的简单工作原理。简单工作原理。 改变改变 UGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ，故，故称场效应管；称场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管

6、栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。输入电阻很高。3）结论）结论3、特性曲线、特性曲线转移特性测试电路转移特性测试电路( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数常数 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UP ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSIDUDDUGGDSGV + +V + +UGS+ + mA1）转移特性转移特性1）转移特性）转移特性O u

7、GS/VID/mAIDSSUP转移特性曲线2）输出特性）输出特性当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 ID 与漏源与漏源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0( )1(GSP2PGSDSSD时时当当UUUUII UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。输出特性有四个区：输出特性有四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。和击穿区。2） 输出特性输出特

8、性IDSSuDS=0 时输出特性曲线场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电

9、阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。在输出特性上用作图法求转移特性在输出特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增

10、强型场效应管。增强型场效应管。1. N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管(1) 结构与符号结构与符号 以以P型材料为衬底，在其上制作两个型材料为衬底，在其上制作两个N型区（用型区（用N+ 表示），表示），引出两个电极作为源极引出两个电极作为源极s和漏和漏d，再在表面上覆盖一层二氧化硅，再在表面上覆盖一层二氧化硅 SiO2绝缘层，并在两个绝缘层，并在两个N+ 区之间的绝缘层外蒸发一层金属铝作区之间的绝缘层外蒸发一层金属铝作栅极栅极g。衬底引出引线。衬底引出引线B，将它与源极连在一起。图（，将它与源极连在一起。图（b）是其）是其电路符号，其箭头的方向表示由电路符号，其箭头的方向表示由

11、P型衬底指向型衬底指向N型沟道。型沟道。图图 (a)图图 (b)(2) 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多少，改变由这些的多少，改变由这些“感感应电荷应电荷”形成的导电沟道的状况，以控形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流制漏极电流 ID。UGS = 0，或者栅极悬空，或者栅极悬空时，时，漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，结，无论漏源之间加何种极性电压，总总是不导电是不导电。工作原理分析工作原理分析 P 型衬底中的电子被型衬底中的电子被吸引靠近吸引靠近 SiO2 与空穴复与

12、空穴复合，合，产生由负离子组成的产生由负离子组成的耗尽层。耗尽层。增大增大 UGS 耗尽层耗尽层变宽。变宽。1) ) UDS = 0，0 UGS UT2) ) UDS = 0，UGS UT 由于吸引了足够多的电子，由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和会在耗尽层和 SiO2 之间形成可之间形成可移动的表面电荷层移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导电沟道。型导电沟道。 UGS 升高，升高，N 沟沟道变宽。因为道变宽。因为 UDS = 0 ，所以，所以 ID = 0。 UT 为开始形成反型层所需为开始形成反型层所需的的 UGS，称，称开启电压开启电压。3) ) UDS UT导电沟道呈现一个楔形

13、。漏极形成电流导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。4) ) UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。5) ) UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。(3) 特性曲线特性曲线a) )转移特性转移特性b) )输出特性输出特性UGS UT 时时) )四个区：可变电阻区、四个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断区、夹断

14、区和击穿区。和击穿区。2、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；uGS 正、负、正、负、零均可。零均可。sgdB(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性(c)符号符号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

15、流参数(1)饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(2) 夹断电压夹断电压 UP(3) 开启电压开启电压 UT(4) 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。2、交流参数、交流参数(1) 低频跨导低频跨导 gm(2) 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控的控制作用。制作用。常常数数 DSGSDmuUIg单位：单位：ID 毫安毫安( (mA) )；UGS 伏伏( (V) )；gm 毫西门子毫西门子( (mS) ) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。般为几个皮法。3、极限参数、极限参数(1) 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM(2) 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS