第五章 场效应管

G(栅极)S源极D漏极1、结构5.1结型场效应管(JFET)扩散情况：NPNNNPP基底：N型半导体两边是P区导电沟道NPP5.1.1JFET的结构和工作原理NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGS符号栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由P区指向N区）。结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGS符号2、工作原理（以N沟道为例）vDS=0V时vGSNGSDvDSNNPPiDPN结反偏，vGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。vGS0V(1)vGS对导电沟道及iD的控制vDS=0V时NGSDvDSvGSNNiDPPvGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当vGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。VDS=0时NGSDVDSVGSPPIDVGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使vDS0V，漏极电流iD=0A。vGSVp且vDS0、vGD=vGS-vDSVP时耗尽区的形状NGSDvDSvGSPPiD越靠近漏端，PN结反压越大6V6V0V2V4V导电沟道中电位分布情况(1)vDS对iD的影响vGSVp且vDS较大时vGDVP时耗尽区的形状NGSDvDSvGSPPiD沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。vGSVpvGD=VP时vDS增大则被夹断区向下延伸。NGSDvDSvGSPPiD漏端的沟道被夹断，称为予夹断。vGSVpvGD=VP时此时，电流iD由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随vDS的增加而增加，呈恒流特性。NGSDvDSvGSPPiD结论：（1）因为栅源间加反向电压，故栅极几乎不取电流；（2）输出电流id受vGS控制，故场效应管是一种电压控制器件；（3）由于受电场梯度的影响，耗尽层呈上宽下窄的形式，故总是沟道的上部先被夹断；NGSDvDSvGSPPiD恒流区（饱和区）-2VvGS=0V-1V-3V-4V-5V予夹断曲线vDSiD0击穿区5.1.2JFET的特性曲线及参数１.输出特性可变电阻区夹断区vmAvvDSvGS2)1(PGSDSSDVvIi（1）转移特性ID=f(VGS)|Vds饱和漏电流IDSS：vGS=0时的漏极电流。饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定vDS下的iD-vGS曲线夹断电压VP：iD接近于0时的栅源电压。①饱和区中的各条转移特性几乎重合，通常我们就用一条曲线来表示。②转移特性的经验公式：2.转移特性VGSiDIDSS0VP予夹断曲线iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0P沟道JFETVGSiDIDSS0VP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定vDS下的iD-vGS曲线vGS0iDIDSSVP(a)输出特性曲线(b)转移特性曲线由输出特性曲线画出转移特性曲线一、直流参数(1)夹断电压VP：当栅源电压vGS=VP时，iD=0。(2)饱和漏极电流IDSS(ID0)：IDSS指的是对应vGS=0时的漏极电流。(3)直流输入电阻RGSRGS在106~109Ω之间。通常认为RGS→∞。３.主要参数二、极限参数场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)最大漏源电压V(BR)DS。(2)最大栅源电压V(BR)GS。(3)最大功耗PDM：PDM=ID·VDS三、交流参数1跨导gm)/(VmdvdigCvGSDmDSgm的大小可以反映栅源电压VGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。2.输出电阻rds输出电阻rds定义为GSQvDDSdsdidvriDvGS010℃30℃80℃10℃30℃80℃零温度系数点场效应管的零温度系数点四、关于温度稳定性场效应管导电机理为多数载流子导电，热稳定性较晶体三极管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，在这一点工作，温度稳定性会更好。结型场效应管的缺点：1.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。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.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。5.2绝缘栅场效应管(MOS管):PP型基底SiO2绝缘层金属铝+++++------电子反型层MOS电容E+++++PP型基底SiO2绝缘层金属铝------电子反型层掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+一、结构和电路符号PNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层导电沟道金属铝GSDN沟道增强型N沟道耗尽型PNNGSD予埋了导电沟道GSDNPPGSDGSDP沟道增强型P沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导电沟道二、MOS管的工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDvDSvGSvGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结iD=0对应截止区PNNGSDvDSvGSvGS0时vGS足够大时（vGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为开启电压vGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，vGS越大此电阻越小。PNNGSDvDSvGSPNNGSDvDSvGS当vDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当vDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。PNNGSDvDSvGS夹断后，即使vDS继续增加，ID仍呈恒流特性。iDvDS增加，vGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。三、增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0iDvGSVT输出特性曲线iDvDS0iGS0四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的MOS管vGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0iDvGSVT输出特性曲线iDvDS0vGS=0vGS0vGS0五、说明：（1）MOS管由四种基本类型；（2）MOS管的特性与结型场效应管的特性类似；（3）增强型的MOS管的vGS必须超过一定的值以使沟道形成；耗尽型的MOS管使形成沟道的vGS可正可负；（4）MOS管的输入阻抗特别高（5）衡量场效应管的放大能力用跨导单位：msDSGSDmVVIgGGSDCGSIVR)(六、MOS管的有关问题（2）交流参数低频跨导：极间电容：栅源电容CGS，栅漏电容CGD，漏源电容CDS（3）极限参数最大漏极电流IDM，最大耗散功率P0M，漏源击穿电压V(BR)DS栅源击穿电压VBR)GS1、主要参数（1）直流参数开启电压VT——指增强型的MOS管夹断电压VP——指耗尽型的MOS管零栅压漏极电流IDSS直流输入电阻：通常很大1010~1015Ω左右三极管场效应管导电机构双极性器件单极性器件导电方式载流子的扩散与漂移漂移控制方式电流控制电压控制类型NPN型、PNP型P、N沟道，增强、耗尽型放大参数β=30~100gm=1~6ms输入电阻102~104Ω107~1015Ω抗辐射能力差好噪声大小热稳定性差好制造工艺复杂简单、成本低；便于集成灵活性C、E不能互换D、S可以互换六、MOS管的有关问题2、场效应管与三极管的比较六、MOS管的有关问题3、使用注意事项（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存；（2）MOS管在不使用时，须将各个电极短接；（3）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊接；（4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而MOS管必须用专门的仪器来检测；（5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接；vGSiD0vDS:N沟道加正压P沟道加负压(a)转移特性IDSSVPIDSSN沟道JFETN沟道增强MOSVTN沟道耗尽MOSP沟道耗尽MOSP沟道增强MOSVTP沟道JFETIDSSVPVPVP(b)输出特性uDSiD0可变电阻区01234560123­1­2­3­3­4­5­6­7­8­9结型P沟耗尽型MOSP沟道­3­4­5­60­1­20123­1­2­33456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟道VGS/VVGS/V结型vGS和vDS相反增强型vGS同vDS同极性耗尽型vGS任意极性放大区条件vDSN沟道管：正极性(vDS0)vDSvGS－VP0P沟道管：负极性(vDS0)vDSVGS－VP0vGS结型管：反极性增强型MOS管：同极性耗尽型MOS管：双极型N沟道管：vGSVP(或VT)P沟道管：vGSVP(或VT)FET放大偏置时vDS与vGS应满足的关系§5.4场效应管放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法：场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏极特性的水平部分，漏极电流iD的值主要取决于vGS，而几乎与vDS无关。1、自偏压电路2、分压式自偏压电路SVGSVGVDDg2g1g2VRRRRIDRg：使g与地的直流电位几乎相同（因上无电流）。R：当IS流过R时产生直流压降ISR，使S对地有一定的电压：VGS=－ISR=－IDR05.4.1场效应管的直流偏置电路及静态分析1.直流偏置电路VDDRdR-Rg+vGSiD-viC1+CSC2-+RLvoVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT++Cb2Cb147u4.7u0.01uQ点：VGS、ID、VDSVGS=2PGSDSSD)1(VVIIVDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出Q点的VGS、ID、VDS静态工作点以自偏压电路为例(1)近似估算法Cb10.01u4.7uCb2VDD=18VRCRdRg10M30k2kT++47u++--gsdvivo2PGSDSSD)1(VVIIVDS=VDD-ID(Rd+R)RIRRVRVDggDDgGS212VP=-1VIDSS=0.5mAID=0.5mA(1+0.4-2ID)2ID=(0.95+0.64,0.95-0.64)mAID=IDSSVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT++Cb2Cb147u4.7u0.01u5.4.2场效应管的微变等效电路GSD),(DSGSDvvfiDSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1GSDmvig跨导：反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。DDSDSivr漏极输出电阻：（很大，常可以看作开路）；它是输出特性工作点处的切线斜率的倒数。vGSiDvDS1、参数的导出很大，可忽略。2、等效电路GSDvGSiDvDS),(DSGSDvvfiDSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1SGDrDSgsvgsmvgdsvdiSGDgsvgsmvgdsvdiGSD),(DSGSDvvfiDSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1vGSiDvDS3、gm的求法2)1(PGSDSSDVvIi)1(2PGSPDSSvGSDmVvVIvigDS)1(0PGSmmVVggPDSSmVIg20由得在工作点上：vGS=VGS其中：——场效应管为零偏置时的跨导一、静态分析求：VDS和ID。设：VGVGS则：VGVS而：IG=0所以：voVDD=20VRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGVRRRVmA5.0SGSSDRVRVIV10)(DSDDDDSRRIVV例5.1VDD=20VvoRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析微变等效电路g