场效应管的特点和分类.ppt

1、,1. 场效应管的特点和分类,（2）分类,（1）特点,利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高（1071012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功耗小。,2. 结型场效应管,（1）结型场效应管的结构（如图1.4.1所示）,源极S,漏极D,栅极G,符号,P型区,N型导电沟道,图1.4.1,（2）结型场效应管的工作原理（如图1.4.2所示）,Home,Next,Back, vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用,当vGS0时， PN结反偏，| vGS |耗尽层加厚沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时，对应的栅源电压v

2、GS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。对于N沟道的JFET，VP 0。, vGS=(VGS(off)0) 的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用,当vDS=0时，iD=0；vDS iD ，同时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，表现出恒流特性。, 当vGD VGS(off)时，vGS对iD的控制作用,当vGD = vGS - vDS vGS - VGS(off) 0，导电沟道夹断， iD 不随vDS 变化 ； 但vGS 越小，即|

3、vGS| 越大，沟道电阻越大，对同样的vDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变vGS 控制iD 的大小， iD与vDS 几乎无关，可以近似看成受vGS 控制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。,综上分析可知：(a) JFET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； (b) JFET 栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；(c) JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；(d)预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,（3）结型场效应管的特性曲线,转移特性, 输出特性,3. 绝缘栅

4、型场效应管,IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor） MOS（Metal Oxide Semiconductor）,vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD0，为耗尽型管。,（一）N沟道增强型MOS管（其结构和符号如图1.4.4所示）,图1.4.4,（1）N沟道增强型MOS管的工作原理, vDS=0时， vGS 对沟道的控制作用,当vDS=0且vGS0时， 因SiO2的存在，iG=0。但g极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥P型衬底靠近g极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。如图1.4.5所示。,当vG

5、S=0时， 漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道，无论 vDS 为多少， iD=0 。,图1.4.5,当vGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称之为反型层，构成了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图1.4.6所示。,图1.4.6,使沟道刚刚形成的栅-源电压称之为开启电压VGS(th)。 vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。, vGSVGS(th) 的某一固定值时，vDS对沟道的控制作用,当vDS=0时，iD=0；vDS iD ，同时使靠近漏极处的耗尽层变窄。当vDS增加到使vGD=VGS(th) 时，在紧

6、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，表现出恒流特性。如图1.4.7所示。,图1.4.7,（2） N沟道增强型MOS管的特性曲线与电流方程,N沟道增强型MOS管的转移特性曲线与输出特性曲线如图1.4.8所示，与JFET一样，可分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,转移特性, 输出特性,（二）N沟道耗尽型MOS管（其结构和符号如图1.4.9所示）,图1.4.9,与 N沟道增强型MOS管不同的是， N沟道耗尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使在vGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就会产生iD。,若v

7、DS为定值，而vGS 0， vGS iD ；若vGS VGS(off)，且为定值，则iD 随vDS 的变化与N沟道增强型MOS管的相同。但因VGS(off) 0，所以vGS在正、负方向一定范围内都可以实现对iD的控制。其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。,（三）P沟道MOS管,P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构相同，只是掺杂的类型刚好相反，所以其电压和电流的极性与N沟道MOS管的相反。其转移特性曲线与输出特性曲线见教材P44。,Home,VMOS管与 普通MOS管只是制造工艺上的差别，原理上并没什么不同。但其性能与 普通MOS管相比，VMOS管的漏区散热面积大，耗散功率可达kW以上；其

8、漏-源击穿电压高，上限工作频率高，线性好。,（四）VMOS管,4. 场效应管的主要参数,（一）直流参数,开启电压VGS(th)：对增强型MOS管，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。,夹断电压VGS(off) （或VP）：对耗尽型MOS管或JFET ，当VDS为定值时，使iD刚好大于0时对应的VGS值。, 饱和漏极电流IDSS：对耗尽型MOS管或JFET ，VGS=0时对应的漏极电流。, 直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，RGS大于107， MOS管的RGS大于109， 。,（二）交流参数, 低频跨导gm：低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求

9、得。,Home,Next,Back, 极间电容： Cgs和Cgd约为13pF，和 Cds约为0.11pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。,（三）极限参数, 最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。, 击穿电压V(BR) DS、 V(BR) GS：管子漏-源、栅-源击穿电压。, 最大耗散功率 PDM ：决定于管子允许的温升。,注意 ：对于MOS管，栅-衬之间的电容容量很小，RGS很大，感生电荷的高压容易使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是工作中还是存放的MOS管，都应为栅-源之间提供直流通路，避免栅极悬空；同时，在焊接时，要将烙铁良好接地。, 输出电阻rd：,Home

10、,Next,Back,5. 场效应管与晶体管的比较, 场效应管的漏极d 、栅极g和源极s分别对应晶体管的集电极c、基极b和发射极e，其作用类似。, 场效应管以栅-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；三极管以基极电流控制集电极电流，是电流控制型器件，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，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，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬底

11、和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互换使用。, 场效应管的种类多，栅-源电压可正、可负，使用更灵活。, 场效应管集成工艺更简单、功耗小、工作电源电压范围宽，使之更多地应用于大规模和超大规模集成电路中。, 一般情况下，由晶体管构成的放大电路具有更高的电压放大倍数和输出功率。,思考题 场效应管符号中的箭头方向表示什么？ 为什么FET的输入电阻比BJT的高得多？为什么MOSFET比JFET的输入电阻高？ 场效应管正常放大时，导电沟道处于什么状态？ 使用MOS管应注意些什么？,例 题,例1.4.1 已知各场效应管的输出特性曲线如图1.4.10 所示。试分析各管子的类型。,图1.4.10 例1.4

12、.1图,解: (a) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS0，故为JFET（耗尽型）。,(b) iD0（或vDS0），则该管为P沟道； vGS0，故为增强型MOS管。,(c) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS可正、可负，故为耗尽型MOS管。,提示： 场效应管工作于恒流区：（1） N沟道增强型MOS管：VDS0, VGSVGS(th) 0；P沟道反之。 （2） N沟道耗尽型MOS管： VDS0, VGS可正、可负，也可为0；P沟道反之。 （3） N沟道JFET： VDS0, V GS0 ；P沟道反之。,图1.4.11 例1.4.2图,例1.4.2 电路如图1.4.11(a

13、) 所示，场效应管的输出特性如图1.4.11(b) 所示 。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。,(c)当uI=10V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-28=2V， uDS - VGS(th) =2-6=-4V，显然小于uGS =10V时的预夹断电压，故假设不成立 ，管子工作于可变电阻区。此时，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故,解: (a)当uI=2V 时， uI=uGS VGS(th) ，场效应管工作于夹断区，iD=0，故uO=VDD- iD Rd= VDD =18V。,(b)当uI=8V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=1mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-18=10V， uDS - VGS(th) =10-4=6V，大于uDS =10V时的预夹断电压，故假设成立 。,图1.4.12,解：由图中得N沟道JFET的vGS=0，此时， iD=IDSS=4mA。 而uDS|VGS(off)|=4V ，所以 vOmax=VDD -4V=12 4=8