模电课件4.14.4场效应管.ppt

BJT是以输入电流控制输出电流，是电流控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件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件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沟道沟道器件和空穴作为载流子的器件和空穴作为载流子的P沟道沟道器件 从场效应管的结构来划分，它有两大类从场效应管的结构来划分，它有两大类 1.结型场效应管结型场效应管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称也称金属氧化物半导体三极管金属氧化物半导体三极管MOSFET（（Metal Oxide Semiconductor FET）） D(Drain)为漏极，相当于为漏极，相当于c；； G(Gate)为栅极，相当于为栅极，相当于b；； S(Source)为源极，相当于为源极，相当于e。

4.1 4.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)分为分为 增强型增强型  N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型  N沟道、沟道、P沟道沟道 (1)(1)N沟道增强型沟道增强型MOSFET ①①结构结构 N沟道增强型沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在结构，它是在P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引型区引出电极，分别是出电极，分别是漏极漏极D，，和和源极源极S在源极和漏极之间在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极栅极GP型半导体称为型半导体称为衬底衬底，用符号，用符号B表示源极源极S 有时要和有时要和衬底衬底B 连接动画动画4-5））②②工作原理工作原理 1．栅源电压．栅源电压VGS的控制作用的控制作用 当当VGS=0V时时，漏源之间相当两个背靠背的，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，二极管，在在D、、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、、S间形成电流。

间形成电流 增加增加VGS，，当当VGS＞＞VGS(th)时（时（ VGS(th) 称为开启电压称为开启电压)，由于此，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的栅极下方的P型半导体表层中聚集较型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通如果此时加有漏源电和源极沟通如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流压，就可以形成漏极电流ID 随着随着VGS的继续增加，的继续增加，ID将不断增加将不断增加 VGS对漏极电流的控制关系可用对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS) VDS=const 这一曲线描述，称为这一曲线描述，称为转移特性曲线转移特性曲线，见图，见图4.6 在在VGS=0V时时ID=0，，只有当只有当VGS＞＞VGS(th)后才会出现漏极电流，后才会出现漏极电流，这种这种MOS管称为管称为增强型增强型MOS管管图图4.6 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转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

对漏极电流的控制作用 gm 的量纲为的量纲为mA/V，，所以所以gm也称为也称为跨导跨导跨导的定义式如下跨导的定义式如下 gm= ID/ VGS  VDS=const (单位单位mS) (动画动画4-6）） ID=f(VGS) VDS=const 场效应管的转移特场效应管的转移特性可以用下面公式近似性可以用下面公式近似表示：表示：图图4.8 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 当当VGS＞＞VGS(th)，，且固定为某一值时，且固定为某一值时， VDS对对ID的影响，的影响，即即ID=f(VDS) VGS=const，，这一曲线称为这一曲线称为漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 2．漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 (2)(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 当当VGS＞＞0时，将使时，将使ID进一步增加进一步增加VGS＜＜0时，时，随着随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0对应对应ID=0的的VGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时表示，有时也用也用VP表示。

表示N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲的转移特性曲线如图线如图4.9(b)所示 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图的结构和符号如图4.9(a)所示，它是在栅极下方的所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入绝缘层中掺入了大量的金属正离子所以当了大量的金属正离子所以当VGS=0时，这些正离时，这些正离子已经感应出反型层，在漏源之间形成了沟道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，就有漏极电流存在于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在 (a) 结构示意图结构示意图 (b) 转移特性曲线转移特性曲线 图图4.9 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构的结构 和转移特性曲线和转移特性曲线  (3)(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。

这如同双极型同，供电电压极性不同而已这如同双极型三极管有三极管有NPN型和型和PNP型一样4.2 4.2 结型场效应管结型场效应管n4 4.2.1 .2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理n4 4.2.2 .2.2 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线4.2.1 4.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理 (1)(1)结型场效应管的结构结型场效应管的结构 JFET的结构如图的结构如图4.1所示，它是在所示，它是在N型半导体硅型半导体硅片的两侧各制造一个片的两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一结夹着一个个N型沟道的结构一个型沟道的结构一个P区即为区即为栅极栅极，，N型硅的型硅的一端是一端是漏极漏极，另一端是，另一端是源极源极 图图4.1 结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构 动画（动画（4-1）） (2) (2) 结型场效应管的工作原理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，对于缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟沟道的只能工作在正栅压区。

道的只能工作在正栅压区 4.2.2 4.2.2 结型场效应管的特性曲线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，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二是输出特性曲线它与MOSFET的特性曲线基本的特性曲线基本相同，只不过相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或沟道的为正或N沟道的沟道的为负JFET的特性曲线如图的特性曲线如图4.4所示(a) 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线转移特性曲线 图图4.4 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 4.3 4.3 各类场效应管伏安特性曲线比较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，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，特性曲线就要画在不同的象限为了便于绘制，将将P沟道管子的正方向反过来设定有关曲线绘沟道管子的正方向反过来设定有关曲线绘于图于图4.10之中 图图4.10 各类场效应管的特性曲线各类场效应管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型结结型型场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型4.4 4.4 场效应管的参数和型号场效应管的参数和型号(1) (1) 场效应管的参数场效应管的参数 ①① 开启电压开启电压VGS(th) (或或VT) 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值, 场效应管不能导通场效应管不能导通 ②② 夹断电压夹断电压VGS(off) (或或VP) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VGS(off) 时时,漏极电流为零。

漏极电流为零 ③③ 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管耗尽型场效应管, 当当VGS=0时所对应的漏极电流时所对应的漏极电流 ④④ 输入电阻输入电阻RGS 场效应管的栅源输入电阻的典型值场效应管的栅源输入电阻的典型值，，对于结型对于结型场效应管，反偏时场效应管，反偏时RGS约大于约大于107Ω，，对于绝缘栅型对于绝缘栅型场效应管场效应管, RGS约是约是109～～1015Ω ⑤⑤ 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，用，gm可以在转可以在转 移特性曲线上求取，单位是移特性曲线上求取，单位是mS(毫西毫西门子门子) ⑥⑥ 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型决定，与双极型三极管的三极管的PCM相当 (2) (2) 场效应管的型号场效应管的型号 场效应管的型号场效应管的型号, 现行有两种命名方法其现行有两种命名方法其 一一是与双极型管相同，第三位字母是与双极型管相同，第三位字母J代表结型场效应代表结型场效应管，管，O代表绝缘栅场效应管。

第二位字母代表材料，代表绝缘栅场效应管第二位字母代表材料，D是是N沟道；沟道；C是是P沟道如，沟道如，3DJ6D是结型是结型N沟道沟道场效应管，场效应管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应管沟道场效应管 第二种命名方法是第二种命名方法是CS××#，，CS代表场效应管，代表场效应管，××以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号用字母代表同一型号中的不同规格例如中的不同规格例如CS14A、、CS45G等几种常用的场效应管的主要参数见表几种常用的场效应管的主要参数见表4.1 表表4.14.1场效应管的参数场效应管的参数半导体三极管图片半导体三极管图片场效应管图片场效应管图片 双极型和场效应型管的比较双极型和场效应型管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应管场效应管结构结构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制 电流控制电流源电流控制电流源CCCS(β) 电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm) 双极型三极管双极型三极管 场效应管场效应管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成。