第2-2章 三极管_场效应管

1、,场效应管,结型场效应三极管JFET,金属氧化物半导体场效应三极管MOSFET,Junction type Field Effect Transistor,N沟道,P沟道,Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,场效应管分类,2.2 结型场效应管,2.2.1 结型场效应管的结构,2.2.2 结型场效应管的工作原理,2.2.3 结型场效应管的特性曲线,# 符号中的箭头方向表示什么？,2.2.1 结型场效应管的结构,在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极

2、。,2.2.2 结型场效应管的工作原理, vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。, vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,iD ,g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS ,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变, vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导

3、电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS ， iD的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS =VP,综上分析可知,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。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,(b) N沟道结型FET 转移特性曲线,N沟道结型FET 输出特性曲线,在放大区：,2.2.3结型场效应管的特性曲线,1. 输出特性,2. 转移特性,2.3 金

4、属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,2.3.1 N沟道增强型MOSFET的结构,2.3.5 P沟道MOSFET,2.3.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理,2.3.3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线,2.3.4 N沟道耗尽型MOSFET,金属氧化物半导体三极管,增强型（E型）,耗尽型（D型）,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,MOS管分类,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L,2.3.1 N沟道增强型MOSFET的结构,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型

5、区，从N型区引出电极,剖面图,符号,G栅极（基极） S源极（发射极） D漏极（集电极） B衬底,vGSVT时（ VT 称为开启电压),（1）vGS对沟道的控制作用,当0vGS VT 时：,2.3.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理,d、s间加电压后，没有电流产生。,当vGS0时：,（1）vGS对沟道的控制作用,当vGSVT 时：,在电场作用下产生导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。且外加的vGS越大， iD也越大。,vGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。,（2）vDS对沟道的

6、控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS, iD,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS, iD,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻, iD基本不变,（2）vDS对沟道的控制作用,（3） vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,（4）正常放大时外加偏置电压的要求:,（1）输出特性：

7、, 截止区 当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,2.3.3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线,对于共源电路, 可变电阻区 vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻, 可变电阻区,n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2, 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VT ，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I 特性：,（2）转移特性,2.3.4 N沟道耗尽型MOSFET,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS

8、=0时，这些正离子已经在P型表面感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,增强型,输出特性曲线,转移特性曲线,耗尽型,IDSS称为漏极饱和电流,VP称为夹断电压,特性曲线,PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管相反。,PMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺点是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制作的电路接口。,PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和NMOS管构成CMOS电路。,2.3.5 P沟道MOSFET,P沟道MOS

9、FET：,耗尽型：当vGS0 时，存在导电沟道，iD0,增强型：当vGS0 时，没有导电沟道，iD0,电路符号,耗尽型与增强型MOS管的差异,各种放大电路性能比较,N 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,P 沟 道 增 强 型,各类场效应管的特性曲线比较,绝缘栅场效应管,各类场效应管的特性曲线比较,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,结型场效应管,各类场效应管的特性曲线比较,N 沟 道,P 沟 道,2.4 场效应管的主要参数管,2.4.1直流参数,2.4.2交流参数,2.4.3极限参数,场效应管的主要参数,直流参数：,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型

10、参数）,开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,夹断电压是耗尽型FET的参数，当vDS为某一固定值，使漏极电流为零时的vGS称为夹断电压VP 。,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）,当VGS=0时，VDS|VP|时所对应的漏极电流。,MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可认为无穷大。,交流参数：,1. 输出电阻rds,低频互导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，代表转移特性曲线的斜率。,2. 低频互导gm,5.1.5 MOSFET的主要参数,低频互导gm,考虑到,则,其中,对于N沟道增强型MOSFET ：,极限参数：,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,最大耗散功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,场效应管使用时的注意点,N衬底接高电位，P衬底接低