第四节场效应管

1、第一章 半导体器件1.4场效应三极管场效应三极管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。第一章 半导体器件DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1.4.1N 沟道结型场效

2、应管结构图沟道结型场效应管结构图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。第一章 半导体器件P 沟道结型场效应管沟道结型场效应管图图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图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

3、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GDS第一章 半导体器件二、工作原理二、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 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 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

4、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。第一章 半导体器件1. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS = UP，耗尽层，耗尽层合拢，导电沟被夹断，合拢，导电沟被夹断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID = 0GDS

5、P+P+N型型沟沟道道 ( (b) ) UGS 0，在栅源间加负，在栅源间加负电源电源 VGG，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UDG ，ID 较大。较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )第一章 半导体器件GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 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 ，故称场效应管；，故称场效应

6、管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )第一章 半导体器件综上分析可知综上分析可知：(a) JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极与导电，所以场效应管也称为单极型三极管管； (b)JFET 栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，结是反向偏置的，因此输入电阻很高因此输入电阻很高；(c) JFET是电压控制电流器件，是电压控制

7、电流器件，iD受受vGS控制控制；(a) (d)预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预呈近似线性关系；预夹断后，夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。第一章 半导体器件三、特性曲线三、特性曲线1. 转移特性转移特性( (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图图 1.4.6转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。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

8、 = 0 时的时的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA第一章 半导体器件1. 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2. 漏极特性漏极特性当栅源当栅源 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 第一章 半导体器件

9、IDSS/VPGSDSUUU ID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 PU7V 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿可变电阻区、恒流区和击穿区。区。2. 漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA图图 1.4.6( (b) )漏极特性漏极特性第一章 半导体器件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

10、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阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性第一章

11、半导体器件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强型场效应管。增强型场效应管。第一章 半导体器件一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS

12、场效应管场效应管1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.8N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图第一章 半导体器件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”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间

13、加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.9第一章 半导体器件( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. 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，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。a. UDS

14、UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区第一章 半导体器件DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UT第一章 半导体器件3. 特性曲线特性曲线( (a) )转移特性转移特性( (b) )漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹

15、断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿、击穿区。区。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图图 1.4.12 ( (a) )图图 1.4.12 ( (b) )第一章 半导体器件二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+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

16、。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。ID/mAUGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB( (b) )漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 1.4.14特性曲线特性曲线第一章 半导体器件1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2

17、. 夹断电压夹断电压 UP3. 开启电压开启电压 UT4. 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 。第一章 半导体器件二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 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

18、极电流 ID 的控的控制作用。制作用。常数常数 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。第一章 半导体器件三、极限参数三、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 PDM2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升

19、决定。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。第一章 半导体器件种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道

20、沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSO第一章 半导体器件种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS

21、_ _o o_ _UGS= 0V+ +_ _IDUDSo o+ +第一章 半导体器件NextBack场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 场效应管的漏极场效应管的漏极d 、栅极、栅极g和源极和源极s分别对应晶体管分别对应晶体管的集电极的集电极c、基极、基极b和发射极和发射极e，其作用类似。，其作用类似。 场效应管以栅场效应管以栅-源电压控制漏极电流，是电压控制源电压控制漏极电流，是电压控制型器件，且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管型器件，且只有多子参与导电，是单极性晶体管；三极管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，晶体管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，晶体管

22、内既有多子又有少子参与导电，是双极性晶体管。内既有多子又有少子参与导电，是双极性晶体管。 场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。 场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大，化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特性相差很大，只有在特殊情况下才互换使用。但要注意的是，场效应管只有在特殊情况下才互换使用。但要注意的是，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬底和源极连接在一起，此时，

23、的某些产品在出厂时，已将衬底和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互换使用。漏极和源极不可以互换使用。第一章 半导体器件 场效应管符号中的箭头方向表示什么？场效应管符号中的箭头方向表示什么？ 为什么为什么FET的输入电阻比的输入电阻比BJT的高得多？的高得多？为什么为什么MOSFET比比JFET的输入电阻高？的输入电阻高？思考题思考题第一章 半导体器件HomeNextBack例例 题题已知各场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析各管子已知各场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析各管子的类型。的类型。 -3V vDS/V VGS=0V -1V -1V -2V 1V VGS=0V iD/mA -

24、2V iD/mA -2V -1V VGS=-4V -3V vDS/V vDS/V iD/mA (a) (b) (c) 第一章 半导体器件HomeNextBack 解解: (a) iD0（或（或vDS0），则该管为），则该管为N沟道；沟道； vGS 0，故，故为为JFET（耗尽型）。（耗尽型）。 (b) iD0（或（或vDS0），则该管为），则该管为P沟道；沟道； vGS0（或（或vDS0），则该管为），则该管为N沟道；沟道； vGS可正、可负，可正、可负，故为耗尽型故为耗尽型MOS管。管。提示：提示： 场效应管工作于恒流区场效应管工作于恒流区：（：（1） N沟道增强型沟道增强型MOS管：管：VDS0, VGSVGS(th) 0；P沟道反之。沟道反之。 （2） N沟道耗尽沟道耗尽型型MOS管：管： VDS0, VGS可正、可负，也可为可正、可负，也可为0；P沟道反之。沟道反之。 （3） N沟道沟道JFET： VDS0, V GS0 ；P沟道反之。沟道反之。 第一章 半导体器件HomeBack +VD