场效应管(建议看).ppt

1、1.4 场效应管,单极型晶体管（FET）,仅靠半导体中的多数载流子(自由电子或空穴)导电,双极型晶体管（BJT）,两种带有不同极性电荷的载流子参与导电,从参与导电的载流子来划分，,自由电子导电,空穴导电,从场效应管的结构来划分，,场效应管,结型场效应管（JFET）,绝缘栅型场效应管（IGFET）,按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。,场效应管图片,半导体三极管图片,1.4.1 结型场效应管,一、结型场效应管的结构,N沟道结型场效应管：,在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将这两个P区连接在一起，引出一个电极（栅极g），在N 极两端各引出一个电极（漏极d和源极s

2、）,导电沟道,二、 结型场效应管的工作原理,N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。,为保证N沟道结型场效应管正常工作，应保证：,栅源之间加负向电压（UGS0） ，两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。,漏-源之间加正向电压(UDS0)，使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。,1、栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS0）,UGS 0，两个PN结处于反向偏置， 耗尽层有一定宽度。,若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻增大；,若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，沟道电阻减小；,这表

3、明UGS控制着漏源之间的导电沟道。,此时UGS的值称为夹断电压UGS(off)。,当|UGS|(UGS为绝对值)增加到某一数值时，两边耗尽层闭合，导电沟道消失。此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，ID0。,注：夹断电压UGS(off)0,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,沟道变窄,沟道消失,UGS（off）,负电压,负电压绝对值增大,夹断,2漏源电压UDS对漏极电流ID的影响,UGS为UGS（off） 0V中某一固定值，,保证存在一定宽度的导电沟道,UDS=0，ID=0,UDS从零开始增大,存在漏极电流，漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降 ，

4、造成漏端电位高于源端电位。,近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。即靠近漏极处的耗尽层厚度加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。,DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏端的沟道变窄。,只要栅源之间不出现夹断区域，电流iD会随UDS的增大而线性增大，d-s呈现电阻特性。,当UDS增大到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)在紧靠漏极处出现预夹断。,出现预夹断后，管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS。,当UDS继续增加，耗尽层闭合部分沿沟道方向延伸，形成夹断区。,这两种变化相抵消，从外部看，

5、进入夹断区后，UDS增大，iD几乎不变，即iD几乎仅仅决定于UGS，表现出iD的恒流特性。,自由电子只能从夹断区的窄缝中通过，受到的阻力加大，导致漏极电流减小；,UDS的增大，会导致漏极电流增大。,结型场效应管的漏极电流iD受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。,电流变化过程如下：,UGS为UGS（off） 0V中某一固定值，,存在一定宽度的导电沟道,UDS=0，ID=0,UDS增大进入预夹断之前，电流iD随UDS的增大而线性增大,UDS增大进入预夹断形成漏极饱和电流IDSS,UDS增大进入夹断区后，电流 iD表现出恒流特性。,前提条件：,同样的UDS，

6、增大|UGS|，由于导电沟道变窄，电流iD减小。,预夹断：UDS=UGS-UGS(off),假定夹断电压为-4V.,现栅源电压为-3V，即,存在导电沟道,电流iD随UDS的变化：,UDS=0，ID=0,则UGS-4V,电流iD恒等于0,电流iD随UDS的增大而 线性增大,呈现电阻特性,-3v,UDS=UGS-UGS(off）,电流 iD表现出恒流特性,-1v,0v,输出特性曲线,同样的UDS，减小|UGS|，由于导电沟道变宽，电流iD增大。,随着UGS的增大，发生预夹断时的UDS随之增大。,三、结型场效应管的特性曲线,1、输出特性曲线,栅源电压UGS取为常量，漏极电流ID 与漏源电压UDS之间

7、的函数关系。,对应一个UGS就有一条曲线，因此输出特性曲线为一簇关系曲线。,夹断电压为负,栅源电压越负，电流iD越小。,夹断区：,UGSUGS(off),可变电阻区(预夹断轨迹左边区域）：,UGSUGS(off)、UGDUGS（off),预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,击 穿 区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,恒流区（预夹断轨迹右边区域）：,UGSUGS(off)、UGDUGS（off),注：可变电阻区电流iD随UDS线性变化，D-S间可等效为电阻。 不同的UGS ，D-S间的等效电阻不同。,UGS增大，等效电阻减小.,对应不同的UGS有不同的等效电阻，所以

8、又称可变电阻区。,击穿区：,UDS增大到一定程度时，漏极电流骤然增大，管子被击穿。,电流iD近似为电压UGS控制的电流源。,UDS一定，电流iD随UGS的变化趋势：,UGSUGS(off）,无导电沟道，电流iD恒为0。,-4v,-3v,转移特性曲线,同样的UDS，减小|UGS|，导电沟道变宽，电流iD增大。,2、转移特性曲线,当漏-源电压UDS为常量时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的函数关系，即,N沟道结型场效应管UGS=0时，存在导电沟道，电流最大； 栅源之间加负向电压UGS0直至沟道消失，电流为零。,UGS=0V,-1V,-2V,-3V,栅源电压越负，电流越小,恒流区条件：,1.4.2

9、 绝缘栅型场效应管,绝缘栅型:,场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间采用sio2绝缘层隔离。,绝缘栅型场效应管又名MOS管。,栅极为金属铝。,绝缘栅型场效应管分为:,增强型 N沟道、P沟道,耗尽型 N沟道、P沟道,同理，P沟道结型场效应管UGS=0时，存在导电沟道，电流最大； 栅源加正向电压UGS0直至沟道消失，电流为零。,UGS=0V,1V,2V,3V,栅源电压越正，电流越小,恒流区条件：,一、N沟道增强型MOS管的结构,以P型硅片为作为衬底，其间扩散两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，作为源极s和漏级d。并在半导体上制作sio2绝缘层，再在sio2上制作一层金属铝，引出电极作为栅极g，此外

10、P型半导体称为衬底B。,增强型N沟道 耗尽型N沟道增强型P沟道 耗尽型P沟道,说明：,1、栅极用短线和沟道隔开，表示绝缘栅；,2、箭头：由P区指向N区；,3、虚线：增强型MOS管； 实线：耗尽型MOS管。,二、N沟道增强型MOS管的工作原理,为保证N沟道增强型MOS管正常工作，应保证：, UGS=0时，漏源之间是两只背向的PN结，不管UDS极性 如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电沟道。UGS必须大于0（UGS0）管子才能工作。,漏极对源极的电压UDS必须为正值(UDS0)。这样在漏极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。,在通常情况下，源极一般都与衬底相

11、连，即UBS=0。,1、沟道形成原理,栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。加上正的UGS后，栅极金属层将聚集正电荷，排斥P型半导体靠近绝缘层一侧的空穴，留下不能移动的负离子区，形成耗尽层。,（UGS=0，不存在导电沟道）,增大UGS，一方面耗尽层加宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，并进一步排斥空穴，直到其间自由电子浓度大于空穴浓度，薄层中的导电类型就由原来的P型变为N型。因它是由P型半导体转换而来的，故称其为反型层。,在UGS=0V时ID=0，只有当UGSUGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,增强型：UGS=0时管子内没有原始的

12、导电沟道，漏极电 流是逐渐增大的。,耗尽型： UGS=0时管子有原始的导电沟道，只要漏源之间加正电压,就存在漏极电流,因此,漏极电流是逐渐减小的。,UGS增大，反型层将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。通常将反型层称为源区和漏区之间的导电沟道（N沟道）。显然，UGS越大，导电沟道越宽，导电能力就越强。,通常将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压，用UGS（th）表示。,UGSUGS(th)时，沟道未形成，UDS作用下iD=0。,UGSUGS(th)时，沟道形成，UDS作用下产生漏极电流iD。,2、UDS对沟道导电能力的控制,形成沟道后，在正的UDS作用下，源区的多子电子沿着

13、沟道行进到漏区，形成漏极电流iD。因iD通过沟道形成自D到S方向的电位差，因此加到“平板电容器”上的电压将沿着沟道而变化。导电沟道的深度是不均匀的，呈锥状变化。,当UDS增大至UDS= UGS-UGS（th）时，沟道在漏极端一侧出现夹断点，称为预夹断。如果UDS继续增大，夹断区随之增长。,同样，从外部看，进入夹断区后，UDS增大，iD几乎不变，即iD几乎仅仅决定于UGS，表现出iD的恒流特性。,综上所述，可以画出UGS一定，iD随UDS变化的特征。开始时，因UDS很小，iD随UDS线性增大；进入夹断区后，沟道呈现的电阻近似为与UDS无关的恒定值，可认为iD几乎是不随UDS而变化的恒值。,3、特

14、性曲线与电流方程,输出特性曲线,转移特性,N沟道增强型MOS管在UGS=0时，无导电沟道，电流为零。UGS加正向电压至开启电压后，电流随UGS的增大而增大。 VDS 为正的,6V,5V,4V,3V,开启电压,栅源电压越正，电流越大,恒流区条件：,同理，P沟道增强型MOS管在UGS=0时，无导电沟道，电流为零。UGS加负向电压至开启电压后，电流随着UGS的增大而增大。VDS 为负的,-6V,-5V,-4V,-3V,开启电压,栅源电压越负，电流越大,恒流区条件：,二、 N沟道耗尽型MOS管,UGS=0时，存在导电沟道。,在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子作用下P型衬底表

15、层存在反型层，存在导电沟道。在漏源之间加正向电压（UDS），就会产生漏极电流。,UGS=0时，存在导电沟道，有漏极电流产生。,UGS0时（加正向电压），将使ID进一步增加。,UGS0时（加反向电压），随着UGS的减小漏极电流逐 渐减小，直至ID=0。,对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS（off）表示，有时也用UP表示。,特点：栅源之间既可加正向电压又可加反向电压 UGS可在正负值的一定范围内实现对ID的控制。,N沟道耗尽MOS管在UGS=0时，有导电沟道，有电流。 UGS加正向电压电流增大；UGS加反向电压减小。,1V,0V,-1V,-2V,夹断电压,栅源电压越负，电流越小,恒流区

16、条件：,P沟道耗尽MOS管在UGS=0时，有导电沟道，有电流。 UGS加正向电压电流减小；UGS加反向电压电流增大。,-1V,0V,1V,2V,夹断电压,栅源电压越正，电流越小,恒流区条件：,图02.18 各类场效应管的特性曲线,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,UDS工作在正向电压,UDS工作在负向电压,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,UDS工作在正向电压,UDS工作在负向电压,测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表1所示，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区），并填入表内。,例题:,1、判断管型:,给出开启电压:,

17、给出夹断电压:,增强型,耗尽型,开启电压0,开启电压0,夹断电压0,夹断电压0,2、判断工作状态：,截止区：无导电沟道,可变电阻区：有导电沟道，UDS与预夹断电压比较,恒流区：有导电沟道且UDS与预夹断电压比较,先判断有无导电沟道,（UGS与开启电压或夹断电压相比较）,UGD=UG-UD=1-3=-2 UGDUGS(th),已知T1： UGS（th）=4；US=-5 ； UG=1；UD=3, UGS（th）=40，N沟道增强型,UGS=UG-US=1-（-5）=6V 存在导电沟道, T1工作在恒流区.,已知T2： UGS(th)=-4；US=3 ； UG=3；UD=10, UGS（th）=-4

18、0，P沟道增强型,UGS=UG-US=3-3=0V,UGS=0无导电沟道, T2工作在截止区.,已知T3： UGS(th)=-4；US=6 ； UG=0；UD=5, UGS（th）=-40，P沟道增强型,UGS=UG-US=0-6=-6 存在导电沟道,UGD=UG-UD=0-6=-6V, T3工作在可变电阻区.,UGDUGS(th),例题2：测得某放大电路五只场效应管的三个电极的直流电位如下表所示，其开启电压或夹断电压也在表中。试分析各管的类型及工作状态。,P,N,恒流区,夹断区,P增强,N增强,N耗尽,恒流区,可变 电阻区,恒流区,一、通过UDS判断N沟道还是P沟道,UDS工作在正向状态（U

19、DS0),N沟道,UDS工作在负向状态（UDS0),P沟道,N沟道增强型,N沟道耗尽型,UGS(off)0,UGS(th)0,P沟道增强型,P沟道耗尽型,UGS(off)0,UGS(th)0,二、判断给出的是开启电压还是夹断电压,N沟道,P沟道,例题2：,已知某管子的输出特性曲线如下图，试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、P沟道、N沟道、增强型、耗尽型）,结型：UGS=0V时，电流最大,UGS=10V时，电流最大， 因此为增强型。开启电压为4V,该管子为沟道增强型的MOS管.,绝缘栅型：,例题3：,电路如下左图所示，其中管子T的输出特性如右图所示，试分析输入uI为0V 8V和10V

20、三种情况下uo分别为多少?,解：, uI=0V即UGS=0V，管子无导电沟道，处于夹断状态，电流ID=0。, uI=8V即UGS=8V，管子有导电沟道，处于可变电阻区？恒流区？,取决于UDS与预夹断电压的关系,假设管子工作在恒流区,UGS=8V，ID=1mA,预夹断电压=UGS-UGS(th)=8-4=4V,UDS预夹断电压，说明假设成立，管子工作在恒流区。, uI=10V即UGS=10V，管子有导电沟道，处于可变电阻区？恒流区？,假设管子工作在恒流区,UGS=8V，ID=2.2mA,预夹断电压=UGS-UGS(th)=10-4=6V,UDS预夹断电压，假设不成立，管子工作在可变电阻区。,UGS=10V时，D-S间的等效电阻为,RDS=UDS/ID（2*10-3/6）=3k,例题4：,电路如下图所示，场效应管的夹断电压UGS（off）为-4V，饱和漏极电流IDSS为4A，试问：为保证负载电阻RL上的电流为恒流，RL的取值范围应为多少？,负载上的电流为恒流则管子工作在恒流区,存在导电沟道且UDSUGS-UGS（off）,解：该管子为N沟道结型场效应管,UGS（-4，0）,UGS-UGS（off）4V,UDS4V即可,负载两端电压（0，8V）,负载两端电流（0，4mA）,RL （0，2k）,四.场效应管的参数,1.开启电压