模电-课件4.1-4.4-场效应管

BJT是以输入电流控制输出电流，是电流控制器件，组成的放大电路输入电阻不高。,FET是以输入电压控制输出电流，是电压控制器件，输入电阻非常高，不吸收信号源电流，不消耗信号源功率。温度稳定性好，抗辐射能力强，噪声低，制造工艺简单，广泛应用于超大规模集成电路中。,场效应管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应管JFET (Junction type Field Effect Transister),2.绝缘栅型场效应管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）,D(Drain)为漏极，相当于c； G(Gate)为栅极，相当于b； S(Source)为源极，相当于e。,4.1 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,(1)N沟道增强型MOSFET 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型区，从N型区引出电极，分别是漏极D，和源极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。源极S 有时要和衬底B 连接。 （动画4-5）,工作原理 1栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,增加VGS，当VGSVGS(th) 时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此 时的栅极电压已经比较强，在靠近 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。,VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图4.6。,在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。,图4.6 VGS对漏极电流的控制特性 转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS) (动画4-6）,ID=f(VGS)VDS=const,场效应管的转移特性可以用下面公式近似表示：,图4.8 漏极输出特性曲线,当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响， 即ID=f(VDS)VGS=const，这一曲线称为漏极输出特性曲线。,2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,(2)N沟道耗尽型MOSFET,当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图4.9(b)所示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图 4.9(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，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。,(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图4.9 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线,(3)P沟道耗尽型MOSFET,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。,4.2 结型场效应管,4.2.1 结型场效应管的结构和工作原理 4.2.2 结型场效应管的特性曲线,4.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,(1)结型场效应管的结构 JFET的结构如图4.1所示，它是在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。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 图4.1 结型场效应三极管的结构,动画（4-1）,(2) 结型场效应管的工作原理,根据结型场效应管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区。,4.2.2 结型场效应管的特性曲线,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线， 二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本 相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型 场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的 为负。JFET的特性曲线如图4.4所示。,(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图4.4 N沟道结型场效应管的特性曲线,4.3 各类场效应管伏安特性曲线比较,场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图4.10之中。,图4.10 各类场效应管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,4.4 场效应管的参数和型号,(1) 场效应管的参数 开启电压VGS(th) (或VT) 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VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。, 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。, 输入电阻RGS 场效应管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应管, RGS约是1091015。, 低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。, 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。,(2) 场效应管的型号,场效应管的型号, 现行有两种命名方法。其 一是与双极型管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是N沟道；C是P沟道。如，3DJ6D是结型N沟道场效应管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应管。,第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用的场效应管的主要参数见表4.1。,表4.1场效应管的参数,半导体三极管图片,场效应管图片,双极型和场效应型管的比较,双极型三极管 场效应管 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() 电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,