场效应管原理与特性介绍

1、1、晶体管与场效应管区别a、 双极型晶体管 BJT （Bipolar Junction Transistor）b、 J型场效应管 Junction gate FET（Field Effect Transistor）c、 金属氧化物半导体场效应晶体管 MOS FET ( Metal Oxide Semi-Conductor Field Effect Transistor)英文全称1、晶体管晶体管，也叫三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。是一种控制电流的半导体器件其作用是

2、把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。2、场效应管场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是既有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。有些场效应管

3、的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。3、场效应管分类：场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写（FET）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（1071012）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。两者都有N

4、沟道P沟道。场效应管分为：结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。结型场效应管：均为耗尽型，2、 MOS管（MOS就是绝缘栅型）1、MOS管参数1.开启电压VT·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；·标准的N沟道MOS管，VT约为36V；·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到23V。2. 直流输入电阻RGS·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比·这一特性有时以流过栅极的栅流表示·MOS管的RGS可以很容易地超过1010。3. 漏源击穿电压BVDS·在VG

5、S=0（增强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS·ID剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID4. 栅源击穿电压BVGS·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。5. 低频跨导gm·在VDS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和

6、引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力·是表征MOS管放大能力的一个重要参数·一般在十分之几至几mA/V的范围内6. 导通电阻RON·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间·由于在数字电路中 ，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内7. 极间电容·三个电极之间

7、都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS·CGS和CGD约为13pF·CDS约在0.11pF之间8. 低频噪声系数NF·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小2、MOS管特性我们常用的是NMOS，因

8、为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。1.导通特性 (NMOS/PMOS) NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。  PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。2.MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导

9、通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。  MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。  导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办

10、法都可以减小开关损失.3.MOS管驱动  跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。  在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。  第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压

11、（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。3、MOS/CMOS集成电路MOS集成电路特点：制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、抗干扰能力强，特别适合于大规模集成电路。MOS集成电路包括:NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已。数字

12、电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子，负载常用MOS管作为有源负载，这样不仅节省了硅片面积，而且简化了工艺利于大规模集成。常用的符号如图1所示。3、 MOS管原理构造（绝缘栅场效应管）1.增强型绝缘栅场效应管(1)N沟道增强型管的结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。 然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。 在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

13、它的栅极与其它电极间是绝缘的。由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。(2) N沟道增强型管的工作原理由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。当UGS> 0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；当UGS>UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，开始导通，若漏源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。在一定的漏源电压UDS下，使

14、管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。沟道形成以后，在漏源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。 vDS对iD的影响 如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGSvDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS<vGSVT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。 随着vDS的增大，靠近漏极的

15、沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGSvDS=VT(或vDS=vGSVT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。 (3)特性曲线(4)P沟道增强型 2.耗尽型绝缘栅场效应管? 如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。(1) N沟道耗尽型管由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，若漏源之间加上一定的电压UDS，也会有漏极电流ID产生。这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极

16、电流。当UGS> 0时，使导电沟道变宽，ID增大；当UGS< 0时，使导电沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的UGS称为夹断电压，用UGS(off）表示。原因： 制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。（4）电流方程：

17、在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同(2)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管UGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。(3) P沟道耗尽型管3.P沟MOS晶体管(增加介绍)（PMOS）管也存在，是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE（衬垫）正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于N

18、MOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，“PMOS Vt从0.6V上升到0.7V”， 实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类， P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压(源极接地)时，柵极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。 P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更