模拟电路课件 1.4场效应管

1.4.1结型场效应管1.4.2绝缘栅型场效应管1.4场效应管1.4.3场效应管的主要参数1.4.4场效应管与晶体管的比较场效应管：利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种较新型的半导体器件，其外形与普通晶体管相似，但两者的控制特性却截然相反。普通晶体管通过控制基极电流达到控制集电极电流或发射极电流的目的。场效应管的输出电流决定于输入端电压的大小，是电压控制元件。特点：输入电阻高107~1012Ω噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小。类型：结型场效应管（JFET)绝缘栅型场效应管（MOSFET）单极型晶体管（仅靠半导体中多数载流子导电）电压型控制元件s源极d漏极g栅极gsdgSdg栅极d漏极S源极1.4.1结型场效应管2.工作原理PN结空间电荷区(即耗尽层)的宽度是随着加在PN结上的反向电相关知识图1.4.3uDS＝0时uGS对导电沟道的控制作用(a)uGS=0(c)uGS≤UGS(off)

(b)uGS(off)

＜uGS＜0(a)uGS=0,(b)UGS(off)＜uGS＜0，UGS(off)夹断电压P+压的大小而变化的。反向电压越大，耗尽层越宽；反之，则越窄。JFET就是利用PN结的这个性质，通过改变栅压uGS来改变沟道电阻，进而改变s、d极间的电流iD。(c)uGS≤UGS(off)

（1）当uDS=0，uGS对沟道的控制作用沟道变窄沟道夹断沟道最宽,iD=0（2）

uGS为UGS(off)＜uGS＜0中某一定值时，uDS对漏极电流的影响

uGD=uGS-uDS图1.4.4UGS(off)<uGS<0且uDS>0的情况(a)uGD＞UGS(off）(b)uGD=UGS(off）(c)uGD＜UGS(off)当uDS=0,uGD=uGS，沟道等宽，iD=0当(a)uDS↑＞0,沟道各点电位不等，且不等宽(b)uDS↑→uGD=uGS–uDS=UGS(off)沟道预夹断

(c)

uDS↑↑，夹断区延长（3）uGD＜UGS(off)，uGS对iD的控制作用当uDS一定时，改变uGS→iD随之变化P+→iD↑＞0

综上所述，可得JFET导电的如下几个特性：②在uDS不变的情况下，uGS的微小变化可以引起iD比较大的变化，故称FET为电压型控制元件。控制原理是电场对PN结的控制，故为体内场效应器件。①因为G、S极间加反向偏电压，两个P+N结截止，栅极电流iG≈0，故JFET的输入电阻很大。输入特性改为讨论转移特性。③与BJT相类似，当漏极接上负载电阻RD后，在RD上可以得到放大了的变化电压。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管。3.结型场效应管特性曲线1)输出特性曲线常数图1.4.5场效应管的输出特性

(1)可变电阻区（非饱和区）：预夹断轨迹：指各条曲线上使uDS=uGS–uGS(off)的点连接而成。因uGD=uGS–uDS当uGD=uGS(off)

uDS较小uGS

一定，

uDS↑→iD→rDS为一常数uGS

改变，→rDS

随之改变（2）恒流区（饱和区）：uGD＜UGS(off)uGS

一定，

iD几乎不随uDS变化uDS

一定，iD随uGS变化（3）夹断区：uGS

＜

uGS(off)，iD≈0已知输出特性绘制转移特性图1.4.6场效应管的转移特性曲线常数uGS=0时，产生预夹断点的电流。IDSS饱和漏极电流：2)转移特性曲线在恒流区内，1.4.2绝缘栅型场效应管（MOS管)MOS管的工作原理建立在半导体表面场效应现象的基础上。所谓表面场效应是指半导体表面有电场作用时，表面载流子浓度发生变化的现象。MOS管uGS=0时，就存在导电沟道(iD≠0)uGS=0时，不存在导电沟道(iD=0)耗尽型：增强型：N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型1.N沟道增强型MOSFET

1)结构示意图和符号D(Drain)为漏极，相当于集电极C；G(Gate)为栅极，相当于基极B;S(Source)为源极，相当于发射极E。

N沟道增强型MOSFET是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。因为栅极与其他电极及硅片之间是绝缘的,故又称绝缘栅场效应管。#图中箭头表明由P衬底指向N沟道

结构：金属(Al)—氧化物(SIO2)—半导体2)工作原理uDS＝0时，uGS对导电沟道的影响①uGS=0(G、S极间短路)：两个N+区与P区三者间形成两个背靠PN+结处于反偏，故漏极电流iD≈0，管子截止。背的PN+结，如图所示。这时不管uDS的极性如何，总会有一个BSGVDDDN+N+PPN+结PN+结P型衬底图1.4.8uDS＝0时uGS对导电沟道的影响第一种情况，0＜uGS＜UGS(th)，第二种情况，uGS＞UGS(th)，②

uGS＞0：uDS=0。这里的UGS(th)为开启电压，栅极和衬底相当于充有绝缘介质的平板电容器。UGS(th)＞0，其值约为2V~10V。在P型硅表面形成一个电子薄层→D、S间沟道形成。uGS越大，沟道愈厚，沟道电阻愈小。

uGS＞UGS(th)的某一值时，uDS对iD的影响图1.4.9uGS为大于UGS(th)的某一值时uDS对iD的影响(a)uDS＜uGS-uGS(th)

(b)uDS=uGS-uGS(th)

(c)uDS＞uGS-uGS(th)

①uDS较小时，②uDS继续增加，使漏极处沟道缩减到刚开启的情况，称预夹断。③uDS再增加，预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。iD随VDS增加而增加，沟道存在电位梯度，不等宽。3）特性曲线与电流方程图1.4.10N沟道增强型MOS管的特性曲线(a)转移特性(b)输出特性在恒流区，2.N沟道耗尽型MOS同增强型区别：这种管子在制造时已在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子会把电子吸引到表面，形成原始的电子沟道(N沟道)，如图示。即使在uGS=0时，NMOS管也能在uDS的作用下，产生漏极电流iD=IDSS。即只要有漏源电压，就有漏极电流存在。若uGS＜0，感应电荷减少，则削弱了正离子的作用，iD将减小；若uGS＞0，感应电荷增大，则增强了正离子的作用，iD增加。当uGS下降到uGS=UGS(off)(＜0)，导电沟道消失，iD≈0

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

3.P沟道MOSFET1.4.3场效应管的主要参数1)直流参数(1)夹断电压UGS(off)：uDS一定，使iD↓某一规定值(0或5μA)的uGS。(3)饱和漏极电流IDSS：uGS=0，产生预夹断（uDS≥|UGS(off)|）时的iD。(4)直流输入电阻RGS：uDS=0时，uGS与iG之比的比值。(2)开启电压UGS(th)：uDS一定，使iD↑某一规定值（5μA)的uGS。uDS一定时，iD与uGS的微变量之比的比值，即2)

交流参数(1)低频跨导(或称互导)gm常数（由于iG≈0，故RGS很高，一般大于108Ω。）gm反映了uGS对iD的控制能力，一般，G与S和G与D间之电容Cgs和Cgd约为1pF~3pF，D与S之间(2)极间电容:电容Cds约为0.1pF~1pF。3)

极限参数(1)漏极最大耗散功率PDM、漏极最大允许电流IDM，同BJT的PCM、ICM类同(2)击穿电压：①击穿电压U(BR)DSuDS增大到使iD开始急剧增加，发生雪崩击穿时的uDS值。使用时uDS不能超过此值。②击穿电压U(BR)GS指G、S间P+N结的反向击穿电压。若UGS超过此值，P+N结将被击穿。两种方式来控制导电沟道的宽窄，以改变漏极电流iD的大小。

①MOS管与JFET管虽然都是利用电场的强弱来改变导电沟道的宽窄，但采用的方式不同：JFET是通过PN结反偏时产生的耗尽层大小；MOS管是通过绝缘栅在外加电压作用下感应电荷的多少。采用这样综上所述：②MOSFET的符号符号中D、S间的连线表示导电沟道的性质。其具体③S、D极的互换性

通常MOS管在使用时，S、D极可以互换，但有些管子在出厂时，源极S与衬底B已被连好，这些管子就不能随便交换S极和D极了。④符号中各电极的符号，表示正常工作是增强型；实线表示有原始沟道，是耗尽型。表示方法为：虚线(三个短线)表示无原始沟道，时各电极要求的电源极性。其电流方向是指静态时的实际电流方向。1.4.4场效应管与晶体管的比较

晶体管场效应三极管结构NPN型结型耗尽型N沟道P沟道 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上