场效应管复习知识点

1、1,1.4 场效应管,场效应管（简称FET）是一种电压控制器件（uGS iD） 。工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。,FET因其制造工艺简单、功耗小、热稳定性好、输入电阻极高、便于集成等优点，得到了广泛应用。,场效应管根据结构不同分为两大类：,结型场效应管 (JFET) 输入阻抗,绝缘栅场效应管 (MOSFET) 输入阻抗,2,1.4.1 结型场效应管（JFET）,S 源极,D 漏极,1 结构 N沟道管：电子导电 P沟道管：空穴导电,一、 JFET的结构,（1） N沟道管,在一块N型半导体两边各扩散一个高浓度的P型区，形成P+N结；,两个P型区的引线连在一起作为一个电极，称为栅极G；,在N型区两端引出两个电极分别称为源极S和漏极D；,两个P+N结之间的N区是电流流通的通道，称为导电沟道；,符号中箭头的方向代表了栅源P+N结正偏时栅极的电流方向。,3,（2） P沟道管,导电沟道为P型半导体，称为P型沟道管。,在一块P型半导体两侧分别扩散一个高浓度的N型区，形成N+P结；,两个N型区的引线连在一起作为一个电极，称为栅极G；,在P型区两端引出两个电极分别称为源极S和漏极D；

2、,两个P+N结之间的P区称为导电沟道；,符号中箭头的方向代表了栅源P+N结正偏时栅极的电流方向。,4,1,G,S,D,当UGS = UGS(off)时,当UGS=0时: 为平衡PN结，导电沟道最宽。,uDS =0时，uGS与对沟道电阻的控制作用,夹断电压: UGS(off),二、工作原理,当UGS 0时：,5,2 UGS(off) 0对iD的影响,G,S,D,N,漏极电流沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极电压不等，故沿沟道PN结反偏电压不等（上大，下小）。,沟道宽度（上窄下宽）,耗尽层（上宽下窄）,靠近漏极的耗尽层合拢，即出现预夹断状态。,6,预夹断状态之后：,UDS ,预夹断不是完全将沟道夹断，而是允许电子在它的夹缝中以较高速度流过，在源极一侧的速度较低，保持电流的连续性。,G,S,D,N,7,G,S,D,N,3,UDS 0(一定) , UGS 0对iD的控制作用,当UGS=0时: 导电沟道最宽，iD最大。,当UGS UGS(off)时,8,JFET特点：,JFET栅极与源极之间的PN结反偏，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高； 漏极电流受栅源极电压uGS控制，所以场效应管是电压控制

3、电流器件； 预夹断前，即iD与uDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,9,1 输出特性曲线,6V,I区,：可变电阻区,uDS 较小，漏极电流 iD 与 uDS 近似线性关系，沟道电阻基本不变，但其大小受uGS控制。,D-S极间可看成由 uGS控制的可变电阻。,三、JFET的特性曲线,预夹断前,它反映了uDS对iD的影响。,10,6V,击穿区,I区,III区,II区,III ：截止区（或夹断区）,IV ：击穿区,II ：恒流区（或饱和区）,表示管子预夹断后电压电流的关系， iD 基本不随 uDS 变化； iD 大小受uGS 控制，D-S极间可看成一个受uGS控制的电流源。,沟道全部被夹断，iD近似为0。,预夹断轨迹,11,总 结：,对于不同的uGS ，D-S之间等效成不同的电阻；,D-S之间预夹断；,iD 仅由uGS 决定，而与uDS 无关，可近似看成一个受uGS控制的电流源。,3. 当,1. 当,2. 当,12,2 转移特性曲线,一般数学表示式：,它反映了在uDS一定时， uGS对iD的控制作用。,FET是电压控制器件，由于栅极输入端基本没有电流，讨论它的输入特性无意义。,u

4、GS 对漏极电流 iD 的控制作用体现在转移特性曲线上。,13,iD 的与uGS 之间不是线性关系，而是平方律关系。故JFET也是一种非线性器件。当然uDS 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，当工作在恒流区时， iD 几乎与uDS 之间无关。各曲线基本重合。,IDSS,击穿区,I区,II区,III区,6V,14,结型场效应管的缺点：,栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍 嫌不够高； 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降； 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅型场效应管可以很好地解决这些问题。,15,1.4.2 绝缘栅型场效应管,栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大，目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属氧化物半导体场效应管。,绝缘栅型场效应管 ( Metal_Oxide Semiconductor FET)， 简称-MOSFET,增强型N沟道MOS管-E型N MOSFET 耗尽型N沟道MOS管-D型N MOSFET 增强型P沟道MOS管-E型P MOSFET 耗尽型P沟道MOS管-D型P MOSFET,MO

5、SFET的类型：,16,一、 N沟道增强型MOS场效应管,1 ENMOS管结构及电路符号,在一块P型硅衬底上扩散两个高掺杂的N型区，分别作为源极S和漏极D，在S和D之间的P型衬底平面上利用氧化工艺生长一层薄的SiO2绝缘层，并引出栅极G，在衬底上引出接触电极衬底B（引线）电极。,N+,N+,17,一般： 当uGS =0时，d-s间无导电沟道存在增强型（E型）,当uGS =0时，d-s间有导电沟道存在耗尽型（D型）,18,2 工作原理,栅源之间不加电压（uGS =0），在漏极和源极的两个N区之间是P型衬底，漏源间相当于两个背靠背的PN结 。,19,N+,S,G,D,P,N+,把P型半导体中的电子吸引到栅极附件的P型衬底表面，与空穴复合产生了由负离子构成的耗尽层。,若增大UGS，耗尽层加宽，增大到一定值，吸引了足够多的电子，形成一个N型薄层（反型层）。,在漏极和源极之间形成N型导电沟道。,uGS产生由G极垂直指向P型衬底的电场排斥空穴，吸引电子,uGS对iD的控制作用,20,N+,S,G,D,P,N+,开启电压UGS(th) ：开始形成反型层的UGS。,显然： UGS反型层N型沟道电阻 i

6、D,可见：UGS对 iD 有控制作用。,21,NEMOS管的基本特性： UGS UGS(th) -无导电沟道，iD 0，管子截止； UGS UGS(th) -导电沟道形成，iD 0，管子导通。 UGS 越大，沟道越厚，在漏源电压UDS一定的情况下，漏极电流 iD 越大。,22,N+,S,G,D,P,N+,uDS对iD的影响, UDS = 0，沿沟道方向无电场，iD = 0；, UDS 0，但较小时，对沟道影响不大 ，iD 随UDS增大而增大；, UDS ， 且UGDUGSUDS UGS(th) ， iD 0；,iD沿导电沟道产生的电压降使沟道各点与G极间的电压不再相等，靠近D端的电压最小，沟道最薄，靠近S端电压最大，沟道最厚。,23,N+,S,G,D,P,N+, UDS ，且UGDUGSUDS UGS(th) ；,D端导电沟道消失（预夹断）。, UDS 夹断区向S端延伸 夹断区电阻， UDS降落在夹断区 沟道电场几乎不变 iD 基本不变（恒流特性） ；, UDS U(BR)DS iD 产生雪崩击穿；,24,3 输出特性: i D = f (uDS)uGS=常数,四个区域： 可变电阻区

7、恒流区 截止区 击穿区,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,25,4 转移特性曲线： iD= f (uGS)uDS=常数,当UGS UGS(th) ，无导电沟道， iD = 0；,当UGS UGS(th) ，导电沟道形成；,UGS 导电沟道宽度 iD ,26,其中：IDO为 uGS = 2UGS(th)时的 iD,转移特性近似公式：,2UGS(th),IDO,UGS UGS(th),27,二、 N沟道耗尽型MOS场效应管,D型NMOSFET的结构与E型NMOSFET管的结构基本相同，差别在于耗尽型管的二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子。因此，即使uGS =0 ，在两个N型区之间的P型硅表面也会感应出大量的电子，而形成导电沟道。在uDS的作用下，出现漏极电流iD 。,28,下图为D型NMOS管特性曲线,由转移特性曲线可以看出， 当uGS =0时，便有较大的iD= IDSS ； 当uGS 沟道变窄 iD； 当uGS = UGS(off) iD =0，截止区。,可见：无论栅源电压uGS为正还是负，都能控制iD的大小。,29,1.4.3 场效应管的主要参数,2.夹断电压UGS(off):是耗尽型

8、MOSFET和结型FET的参数，当uGS=UGS（off）时，漏极电流为零。,4.直流输入电阻RGS:栅源间的等效电阻。结型场效应管，RGS大于107，由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达1091015。,1.饱和漏极电流IDSS :耗尽型MOSFET和结型FET, 当uGS=0且uDS UGS(off)时所对应的漏极电流。,3.开启电压UGS(th):是增强型MOSFET的重要参数，定义为当uDS为常量、uGS使 iD不为零的最小值。,30,5. 跨导gm：表征FET放大作用的重要参数。,gm=iD/uGS uDS=常数 (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,31,8.栅源击穿电压U(BR)GS: 栅源间发生击穿，MOS管即被损坏。,6.漏极最大允许耗散功率PD: PDM= UDS ID ，与双极型三极管的 PCM 相当。,7.漏源击穿电压U(BR)DS: 漏极电流 iD 急剧上升产生雪崩击穿时的uDS 。,32,小 结,1FET是一种电压控制电流器件，改变其栅源电压uGS就可

9、以改变其漏极电流iD 。工作时只有一种载流子参与导电，为单极型器件； 2 FET分为JFET和MOSFET两种， 二者都有N沟道和P沟道之分。MOSFET又有增强型和耗尽型两种类型，但JFET只有耗尽型。 3 表征FET放大作用的重要参数：跨导gmiD/uGS 。 4. FET的主要特点：输入电阻高，易于集成。,33,2.7 场效应管放大电路,2.7.1 场效应型三极管的特点,多子、少子,多子,电流输入,电压输入,电流控制电流源,电压控制电流源,几十到几千欧,几兆欧以上,较大,较小,不受静电影响,易受静电影响,不宜大规模集成,适宜大规模和超大规模集成,34,直流偏置电路组成原则 ：,静态：设置适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，因此必须给予正确的偏置电路。,动态：能为交流信号提供通路，输出信号不失真。,其栅极电路没有栅极电流； uDS极性决定于沟道类型，N沟道uDS为正，P沟道uDS为负； uGS极性由FET类型决定，JFET的uGS与uDS极性相反，增强型MOSFET的uGS与uDS极性相同，耗尽型MOSFET的uGS可正、可负或为零。,与BJT相比，FET偏置电路具有以下特点：,35,一、自偏压电路,UGSQ =0IDR,注意：该电路简单，产生

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