第八章场效应晶体管正式版.ppt

场效应管与双极型晶体管不同，它是多子场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好导电，输入阻抗高，温度稳定性好结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种: 第第8章章 场效应晶体管场效应晶体管1•结型场效应三极管•绝缘栅场效应三极管的工作原理•场效应三极管的参数和型号•双极型和场效应型三极管的比较场效应半导体三极管场效应半导体三极管2 场效应半导体三极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 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类 1.结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2.绝缘栅型场效应三极管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）38.1 8.1 结型场效应三极管结型场效应三极管 (1)(1)结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。

JFET的结构如图01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区即为栅极栅极，N型硅的一端是漏极漏极，另一端是源极源极 图01 结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构4N基底基底 ：：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极结构结构导电沟道导电沟道5NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS6PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS7 (2) (2) 结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流现以N沟道为例说明其工作原理 8工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄9PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。

沟道越窄，电阻越大但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道DS间相当于间相当于线性电阻线性电阻10PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（（夹断电压夹断电压VP））,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即间被夹断，这时，即使使UDS   0V，，漏极电漏极电流流ID=0AID11PGSDUDSUGSUGS0、、UGD

加，呈恒流特性ID15 ①① 栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用 当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流当VGS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)16 ②② 漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用 当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似 在栅极加上电压，且VGS＞VGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分，17 (3)(3)结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线 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02所示18(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图02 N沟道结型场效应三极管的特性曲线19特性曲线特性曲线UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流饱和漏极电流夹断电压夹断电压转移特性曲线转移特性曲线一定一定UDS下的下的ID-UGS曲线曲线20予夹断曲线予夹断曲线IDU DS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区可变电阻区夹断区夹断区恒流区恒流区输出特性曲线输出特性曲线021N沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UGS0IDIDSSVP22输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线23 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高某些场合仍嫌不够高3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流较大的栅极电流绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。

2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降极间的电阻会显著下降24 绝缘栅型场效应三极管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 N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图03其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e 图图03 N沟道增强型沟道增强型 MOSFET结构示意图结构示意图8.2 绝缘栅场效应三极管25结构和电路符号结构和电路符号PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN沟道增强型沟道增强型26N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 GSD27NPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型28P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 29(1)N沟道增强型MOSFET ①结构 根据图04， 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，一个是漏极D，一个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极GP型半导体称为衬底，用符号B表示30MOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区31PNNGSDUDSUGSUGS>0时时UGS足够大时足够大时（（UGS>VT）感）感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道导电沟道感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压32UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小电阻越小PNNGSDUDSUGS33PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的间是均匀的当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄34PNNGSDUDSUGS夹断后，即夹断后，即使使UDS 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性IDUDS增加，增加，UGD=VT 时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为予夹断。

称为予夹断35②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间形成电流当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID36 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5 进一步增加VGS，当VGS＞VGS(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在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层 随着VGS的继续增加，ID将不断增加在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。

37 图图5 VGS对漏极电流的控制特性对漏极电流的控制特性—— 转移特性曲线转移特性曲线 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) ID=f(VGS)VDS=const38 2 2．漏源电压．漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响VDS的不同变化对沟道的影响如图06所示根据此图可以有如下关系 VDS=VDG＋VGS =－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS 当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(th)，沟道分布如图06(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布图06(a) 漏源电压VDS对沟道的影响39 当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(th)，沟道分布如图06(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。

当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图06(b)所示这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断 当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图06(c)所示此时预夹断区域加长，伸向S极 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图7所示这一曲线称为漏极输出特性曲线40图7 漏极输出特性曲线ID=f(VDS) VGS=const418.3 8.3 场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号(1) (1) 场效应三极管的参数场效应三极管的参数 ① 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 ② 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。

③ 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流42 ④ 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～1015Ω ⑤ 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子) ⑥ 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43 (2) 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法其一是与双极型三极管相同，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P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管 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44半导体三极管图片半导体三极管图片458.4 8.4 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 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(β) 电压控制电流源VCCS(gm)46 双极型三极管 场效应三极管噪声 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47。