第4讲 半导体基础关知识-场效应管

1、第三章,场效应管,参考书籍：谢嘉奎电子线路线性部分,1.场效应三极管概念及特点,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，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,符号,2.结型场效应管,一、结构,图1.4.1N沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。,P沟道场效应管,图1.4.2P沟道结型场效应管结构图,P沟道场效应管是在P

2、型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。,二、工作原理,N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,讨论场效应管的工作原理就是：讨论栅-源电压VGS对漏极电流ID（或沟道电阻）的控制作用；讨论漏-源电压VDS对漏极电流ID的影响。,1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGS，改变VGS大小。观察耗尽层的变化。,UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,|UGS|由零逐渐增大，耗尽层逐

3、渐加宽，导电沟相应变窄。,当UGS=UGS(OFF)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UGS(OFF)为负值。,2.当UGS为UGS(OFF)0中某一固定值时，在漏源极间加正向VDS，观察VDS对漏极电流ID的影响。,（1）UDS=0，ID=0。,3.在漏源极间加正向VDS，使UDS0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。,UGS=0，UGD，ID较大。,UGS0，UGD，ID较小。,注意：当UDS0时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS0,UGD=UGS(OFF),ID更小,预夹断,UGSUGS（OFF）,UGDUGS(OFF),ID0,夹断,特点:(1)改变U

4、GS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管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，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),三、特性曲线,1.转移特性(N沟道结型场效应管为例),图1.4.6转移特性,UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UGS(OFF)，ID0。,两个重要参数,饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID),夹断电压UGS(OFF)(ID=0时的UGS),1.转移特性,2.输出特性,当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,输出特性

5、也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,2.输出特性,图1.4.6(b)漏极特性,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。,UDS=常数,UDS=15V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性,1.4.2绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。,特点：输入电阻可达109以上。,类型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管

6、；,UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,表1-2各类场效应管的符号和特性曲线,场效应管与三极管的性能比较：,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2场效应管是电压控电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控电流器件，由iB(或iE)控制iC。3场效应管栅极几乎不取电流（ig=0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较