场效应晶体管ppt课件.ppt

场效应晶体管场效应管的特点结型场效应管绝缘栅场效应管第四章第四章绝缘栅场效效应管管结型型场效效应管管第四第四节场效应晶体管简称场效应管，用场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示来表示 〔〔Field Effect Transistor〕一、一、绝缘栅场效效应管管绝缘栅场效效应管是一种金属管是一种金属—氧化物氧化物—半半导体体场效效应管，管，简称称MOS管MOS管按管按任任务方式方式分分类加加强型型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道第四第四节〔一〕〔一〕N沟道加沟道加强型型MOS管的构造和任管的构造和任务原理原理NNb-衬底引底引线sgdP衬底底bSiO2绝缘层g-栅极极S-源极源极d-漏极漏极N型区型区ggssddbb箭箭头方向是区方向是区别N沟道与沟道与P沟道的沟道的标志志第四第四节N沟道沟道P沟道沟道铝铝2.任任务原理原理〔〔1〕感生沟道的构成〕感生沟道的构成在在电场的作用下，可以把的作用下，可以把P型型衬底外表底外表层中多数中多数载流子空穴全部排斥流子空穴全部排斥掉，构成空掉，构成空间电荷区当当uGS添加到某一添加到某一临界界电压(UT)值时，吸引足，吸引足够多的多的电子，在子，在P型半型半导体的外表附近感体的外表附近感应出一个出一个N型型层,构成反型构成反型层—漏源之漏源之间的的导电沟道。

沟道 开开场构成反型构成反型层的的uGS称称为开启开启电压(UT)uGS越高，越高，电场越越强，，感感应的的电子越多，沟道就越子越多，沟道就越宽uGSgb自在电子自在电子反型层反型层耗尽区耗尽区第四第四节绝缘栅场效应管是利用电场效应来改动导电通道的宽窄，从而绝缘栅场效应管是利用电场效应来改动导电通道的宽窄，从而控制漏控制漏-源极间电流的大小源极间电流的大小栅极和源极之极和源极之间加正向加正向电压耗尽区耗尽区铝铝SiO2衬底衬底 P型硅型硅gbuGS受主离子受主离子空穴空穴〔〔2〕〕栅源源电压uGS对漏极漏极电流流iD的控制造的控制造用用在在栅源源电压uGS=0时，没有，没有导电沟道漏源极之沟道漏源极之间存在两个背存在两个背向向PN结，其中一个，其中一个为反向偏置，只能流反向偏置，只能流过很小的反向很小的反向饱和和电流，流，iD≈0增大增大VGG，使，使uGS=UT时构成构成导电沟道在正向漏源沟道在正向漏源电压作用下，作用下，沟道内的多子〔沟道内的多子〔电子〕子〕产生漂移运生漂移运动，构成漏极，构成漏极电流流iDuGS变大大iD变大大沟道沟道宽度度变宽沟道沟道电阻阻变小小NNVDDVGGsdbgiDPN沟道沟道uGS≥UT时才干构成才干构成导电沟道沟道第四第四节uGS对iD的控制造用：的控制造用：〔〔3〕漏源〕漏源电压uDS对漏极漏极电流流iD的影响的影响uGS≥UT 时，沟道构成。

当，沟道构成当uDS较小，即小，即uGD>>UT时，沟道，沟道宽度受度受uDS的影响很小，沟道的影响很小，沟道电阻近似不阻近似不变，，iD随随uDS的添加呈的添加呈线性添加当当uDS增大增大时，沟道各点与，沟道各点与栅极极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐不等，使沟道从源极向漏极逐渐变窄随着uDS增大，沟道增大，沟道电阻迅速增大，阻迅速增大，iD不再随不再随uDS线性增大继续增大增大uDS ，那么，那么uGD UTuGD=UTuGDUT，，uDS很小，很小，uGD>UT的情况。

的情况①①假假设uGS不不变，沟道，沟道电阻阻rDS不不变，，iD随随uDS的增大的增大而而线性上升②②uGS变大，大， rDS变小，看小，看作由作由电压uGS控制的可控制的可变电阻ⅠⅡ第四第四节 截止区截止区该区区对应于于uGS≤UT的情况的情况由于没有感生沟道，故由于没有感生沟道，故电流流iD≈0，管子，管子处于截止形状于截止形状2 4 6 8 1012 14161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2ⅠⅡ 恒流区〔恒流区〔饱和区〕和区〕Ⅱ区区对应 预夹断后，断后，uGS>UT，，uDS很大，很大，uGD

根本接近转移特性曲移特性曲线方程方程〔〔UGS>UT〕〕其中其中K为常数，由管子构造决常数，由管子构造决议，可以估算出来可以估算出来第四第四节UT〔三〕〔三〕N N沟道加沟道加强型型MOSMOS管的主要参数管的主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数第四第四节 1.直流参数直流参数〔〔2〕直流〕直流输入入电阻阻RGS〔〔1〕开启〕开启电压UT在在衬底底外外表表感感生生出出导电沟沟道道所所需需的的栅源源电压实践践上上是是在在规定定的的uDS条条件件下下，，增增大大uGS，，当当iD到到达达规定定的的数数值时所需求的所需求的uGS值在在uDS=0的的条条件件下下，，栅极极与与源源极极之之间加加一一定定直直流流电压时，，栅源源极极间的的直直流流 电 阻阻 RGS的的值很很大大，，普普通大于通大于 Ω第四第四节2.交流参数交流参数定定义：当：当uDS一定一定时，漏极，漏极电流流变化量与引起化量与引起这一一变化的化的栅源源电压变化量之比，即化量之比，即gm相当于相当于转移特性的斜率，反映了移特性的斜率，反映了场效效应管的放大才干管的放大才干它可以从它可以从输出特性上求出，或根据出特性上求出，或根据转移特性的表达式求移特性的表达式求导数得到。

数得到〔〔2〕极〕极间电容：容：栅、源极、源极间电容容Cgs和和栅、漏极、漏极间电容容Cgd，它影响高，它影响高频性能的交流参数，性能的交流参数，应越小越越小越好第四第四节〔〔1〕跨〕跨导gm3.极限参数极限参数是指是指场效效应管任管任务时，允，允许的最大漏极的最大漏极电流是指管子允是指管子允许的最大耗散功率，的最大耗散功率，相当于双极型晶体管的相当于双极型晶体管的PCM第四第四节2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3〔〔1〕漏极最大允许电流〕漏极最大允许电流IDM〔〔2〕漏极最大耗散功率〕漏极最大耗散功率PDM在在输出特性上画出出特性上画出临界最大功耗界最大功耗线是指在是指在uDS=0时，，栅源极源极间绝缘层发生生击穿，穿，产生很大的短生很大的短路路电流所需的流所需的uGS值击穿将会穿将会损坏管子是指在是指在uDS增大增大时，使，使iD开开场急急剧添加的添加的uDS值〔〔3〕栅源极间击穿电压〕栅源极间击穿电压U(BR)GS〔〔4〕漏源极〕漏源极间击穿穿电压U(BR)DSU(BR)DS此此时不不仅产生沟道中的生沟道中的电子参与子参与导电，空，空间电荷区也荷区也发生生击穿，使穿，使电流增大。

流增大第四第四节2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3〔四〕〔四〕N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管1.任务原理任务原理VDDNNsgdbPiDN沟道沟道构造表构造表示示图SiO2绝缘层中中掺入大量的正离子入大量的正离子P衬底外表曾底外表曾经出出现反型反型层，存在，存在导电沟道在在uGS=0时当当uGS>0时感生沟道加感生沟道加宽，，iD增大感生沟道感生沟道变窄，窄，iD减小当当uGS到达某一到达某一负电压值UP时，抵，抵消了由正离子消了由正离子产生的生的电场，，导电沟道沟道消逝，消逝，iD≈0，，UP称称为夹断断电压当当uGS<0时第四第四节sgdb符号符号输出特性出特性转移特性移特性2 4 6 8 1012 14160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.特性曲特性曲线预夹断断轨迹方程：迹方程：转移特性曲移特性曲线方程：方程：其中其中IDSS是是uGS=0时的的iD值，称，称为零偏漏零偏漏级电流，也称流，也称饱和漏极和漏极电流。

流第四第四节3.主要参数主要参数实践丈量践丈量时，是在，是在规定的定的uDS条件下，使条件下，使iD减小到减小到规定定的微小的微小值时所需的所需的uGS值该电流流为uDS在恒流在恒流区范区范围内，且内，且uGS=0v时的的iD值，亦称，亦称饱和和漏极漏极电流第四第四节〔〔1〕〕夹断断电压UP是指点是指点电沟道完全沟道完全夹断断时所需的所需的栅源源电压〔〔2〕零偏漏极〕零偏漏极电流流IDSS它反映了零它反映了零栅压时原始原始沟道的沟道的导电才干iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V二、二、结型型场效效应管管JFET(Junction Field Effect Transistor)两个两个P+区中区中间的的N型半型半导体，在加上正向体，在加上正向uDS电压时就有就有电流流流流过，故称，故称为N沟道S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP第四第四节S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP当当uGS=0时，就有，就有导电沟道存在，故而沟道存在，故而这种管种管子也属于耗尽型子也属于耗尽型场效效应管sdgVDDVGGP沟道沟道uGSuDSiDNsgd第四第四节N沟道沟道结型型场效效应管管sdgVGGPuGS改改动uGS的大小，就可的大小，就可以改以改动沟道沟道宽窄，即改窄，即改动沟道的沟道的电阻，从而控阻，从而控制制iD的大小。

的大小这与与绝缘栅场效效应管是一管是一样的dN沟沟道道空间电荷区空间电荷区sgPuGS=0sdgVGGPuGSUPUPuGD=UPuGD0，那么两个，那么两个PN结是是正向偏置，将会正向偏置，将会产生很大的生很大的栅极极电流，有能流，有能够损坏管子IDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲特性曲线第四第四节三、三、场效效应管的特点管的特点场效效应管与双极型晶体管相比：管与双极型晶体管相比：〔１〕〔１〕场效效应管中，管中，导电过程是多数程是多数载流子的漂移流子的漂移运运动，故称，故称为单极型晶体管；双极型晶体管中既有极型晶体管；双极型晶体管中既有多子的分散运多子的分散运动又有少子的漂移运又有少子的漂移运动。

〔２〕〔２〕场效效应管是管是经过栅极极电压uGS来控制漏极来控制漏极电流流iD，称，称为电压控制器件；双极型晶体管是利用基极控制器件；双极型晶体管是利用基极电流流iB〔或射极〔或射极电流流iE〕来控制集〕来控制集电极极电流流iC，称，称为电流控制器件流控制器件第四第四节〔３〕〔３〕场效效应管的管的输入入电阻很大；晶体管的阻很大；晶体管的输入入电阻阻较小留意：留意：MOS管在运用管在运用时应防止防止悬空，保管空，保管不用不用时必需将各必需将各级间短接；短接；焊接接时电烙烙铁外壳要可靠接地外壳要可靠接地s sg gd dR RDZ1DZ1DZ2DZ2栅极极过压维护电路路当当电压过高高时，将有一个，将有一个稳压管管击穿穿稳压，限制了，限制了uGS的增的增大，起到大，起到维护管子的作用管子的作用第四第四节〔４〕〔４〕场效效应管的跨管的跨导gm的的值较小，双小，双极型晶体管的极型晶体管的β值很大在同等条件下，很大在同等条件下，场效效应管的放大才干不如晶体管高管的放大才干不如晶体管高〔５〕〔５〕结型型场效效应管的漏极和源极可以管的漏极和源极可以互互换运用，运用，MOS管假管假设衬底没有和源极底没有和源极接在一同，也可将接在一同，也可将d、、s极互极互换运用；运用；双双级型晶体管的型晶体管的c和和e极互极互换那么称那么称为倒置任倒置任务形状，此形状，此时β将将变得非常小。

得非常小〔〔6〕〕场效效应管可作管可作为压控控电阻运用第四第四节(7〕〕场效效应管管是是依依托托多多子子导电，，因因此此具具有有较好好的的温温度度稳定定性性、、抗抗辐射性和射性和较低的噪声低的噪声由由图可可见，，不不同同温温度度下下的的转移移特特性性的的交交点点Q〔〔即即任任务点点〕〕的的ID、、UDS几乎不受温度影响几乎不受温度影响晶晶体体管管的的温温度度稳定定性性差差，，抗抗辐射及噪声才干也射及噪声才干也较低Q+125℃+25℃T= -55℃iD(mA)uGS(V)uDS=10V场效应管还有一些缺陷：如功率小，速度慢等但由于场效应管还有一些缺陷：如功率小，速度慢等但由于它工艺简单，易于集成，故广泛运用于集成电路它工艺简单，易于集成，故广泛运用于集成电路第四第四节本本 节节 要要 点点1. N沟道加沟道加强型型MOS管管场效效应管是利用管是利用栅-源极外加源极外加电压uGS产生的生的电场效效应来改来改动导电通道的通道的宽窄，从而控制漏窄，从而控制漏-源极源极间电流流iD的大小，可将的大小，可将iD看作由看作由电压uGS控制的控制的电流源2 4 6 8 101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V1 2 3 4 56UT输出特性出特性转移特性移特性场效效应管有截止区、恒流区和可管有截止区、恒流区和可变电阻区三个任阻区三个任务区域。

区域它的主要参数有它的主要参数有gm、、UT或或UP、、IDSS、、IDM、、U(BR)DS、、PDM和极和极间电容第四第四节输输出出特特性性转转移移特特性性2 4 6 8 1012 14160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管3. N沟道沟道结型型场效效应管管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPIDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234第四第四节本本 章章 小小 结结本章首先引见了半导体的根底知识，然后论述了本章首先引见了半导体的根底知识，然后论述了半导体二极管、双极型晶体管〔半导体二极管、双极型晶体管〔BJT〕和场效应〕和场效应管〔管〔FET〕的任务原理、特性曲线和主要参数〕的任务原理、特性曲线和主要参数一、一、PN结在本征半在本征半导体中体中掺入不同入不同杂质就构成就构成N型半型半导体与体与P型半型半导体，控制体，控制掺入入杂质的多少就可有效地改的多少就可有效地改动其其导电性，从而性，从而实现导电性能的可控性。

性能的可控性1. 杂质半半导体体第四章第四章将两种将两种杂质半半导体制造在同一个硅片〔或体制造在同一个硅片〔或锗片〕上，片〕上，在它在它们的交界面的交界面处，分散运，分散运动和漂移运和漂移运动到达到达动态平衡，从而构成平衡，从而构成PN结正确了解正确了解PN结单导游游电性、反向性、反向击穿特性、温度特性和穿特性、温度特性和电容容效效应，有利于了解半，有利于了解半导体二极管、晶体管和体二极管、晶体管和场效效应管等管等电子子器件的特性和参数器件的特性和参数2. PN结载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称为分散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动为分散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动半导体有两种载流子：自在电子和空穴半导体有两种载流子：自在电子和空穴第四章第四章二、半二、半导体二极管体二极管一个一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管结经封装并引出电极后就构成二极管二极管加正向二极管加正向电压时，，产生分散生分散电流，流，电流和流和电压成指数关系；加反向成指数关系；加反向电压时，，产生漂移生漂移电流，其数流，其数值很小；表达出很小；表达出单导游游电性。

性特殊二极管与普通二极管一特殊二极管与普通二极管一样，具有，具有单导游游电性利用利用PN结击穿穿时的特性可制成的特性可制成稳压二极管IF、、IR、、UR和和fM是二极管的主要参数是二极管的主要参数第四章第四章三、晶体管三、晶体管晶体管具有电流放大作用晶体管具有电流放大作用当当发射射结正向偏置而集正向偏置而集电结反向偏置反向偏置时，从，从发射区注入到射区注入到基区的非平衡少子中基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，构有很少部分与基区的多子复合，构成基极成基极电流，而大部分在集流，而大部分在集电结外外电场作用下构成漂移作用下构成漂移电流流iC，表达出，表达出iB〔或〔或iE，，uBE〕〕对iC的控制造用此的控制造用此时，，可将可将iC看作看作为电流流iB控制的控制的电流源晶体管的晶体管的输入特性和入特性和输出特性出特性阐明各明各级之之间电流与流与电压的关的关系，系，β、、α、、ICBO〔〔ICEO〕、〕、ICM、、U(BR)CEO、、PCM和和fM是它的主要参数是它的主要参数晶体管有截止、放大、晶体管有截止、放大、饱和三个任和三个任务区域，学区域，学习时应特特别留意使管子在不同任留意使管子在不同任务区的外部条件。

区的外部条件第四章第四章四、四、场效效应管管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：型均分为两种不同的沟道：N沟道和沟道和P沟道，而沟道，而MOS管又分为加强型和耗尽型两种方式管又分为加强型和耗尽型两种方式场效效应管任管任务在恒流区在恒流区时，利用，利用栅-源之源之间外加外加电压所所产生的生的电场来改来改动导电沟道的沟道的宽窄，从而控制多子漂移运窄，从而控制多子漂移运动所所产生的漏极生的漏极电流流iD此时，可将，可将iD看作由看作由电压uGS控制的控制的电流源，流源，转移特性曲移特性曲线描画了描画了这种控制关系种控制关系gm、、UT或或UP、、IDSS、、IDM、、U(BR)DS、、PDM和极和极间电容是它的主要参数容是它的主要参数和晶体管和晶体管类似，似，场效效应管有截止区、恒流区和管有截止区、恒流区和可可变电阻区三个任阻区三个任务区域第四章第四章。