2-7-1场效应三极管简介

第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路1只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。2.7.1场效应晶体管简介第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路2DSGN符号1.结型场效应管（1）结构N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路3P沟道场效应管N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路4（2）工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路5P+P+dsgN+UDD-电子在漏极与源极间电压一定时，漏极电流iD的大小取决于沟道的电阻，当材料电阻率和沟道长度一定时，沟道的电阻，主要由导电沟道的有效截面积决定，因此，通过改变导电沟道的截面积，就可以控制漏极电流iD的大小。1）沟道电流的可控性iD第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路62）栅源电压改变沟道大小dP+P+sg+UDD--UGS+当漏极与源极之间的电压不变时，改变两个PN结耗尽层的大小，就可以控制导电沟道的有效截面积的大小，也就改变沟道的导电能力。在栅极和源极之间加上负电压（即uGS0），此时两个PN结均为反向偏置，加大这个反偏电压，耗尽层不断变宽，沟道的导电截面积逐渐减小，沟道电阻就随之增大，漏极电流iD将减小。当减小栅源间的反向偏置电压时，漏极电流将增大。这就是结型场效应管的简单工作原理。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路7(a)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(b)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。3）结论第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路8(3)特性曲线转移特性测试电路(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUUfIOUGSIDIDSSUP两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP(ID=0时的UGS)UDSIDUDDUGGDSGV-+V-+UGS+-mA1）转移特性第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路91）转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP转移特性曲线2）输出特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：常数GS)(DSDUUfI)0()1(GSP2PGSDSSD时当UUUUII-≤≤UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路10输出特性有四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。2）输出特性uDSiD0Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区预夹断uGS=0uGS=-4VuGS=-2VuGS=-6VuDSiD0Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区预夹断uGS=0uGS=-4VuGS=-2VuGS=-6VIDSSABCDiDuDS0IDSSuDS=0时输出特性曲线第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路11场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。在输出特性上用作图法求转移特性第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路122.绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路13(1)N沟道增强型MOS场效应管1)结构与符号N+N+二氧化硅绝缘层BPdgsN+N+二氧化硅绝缘层BPdgsdgsB以P型材料为衬底，在其上制作两个N型区（用N+表示），引出两个电极作为源极s和漏d，再在表面上覆盖一层二氧化硅SiO2绝缘层，并在两个N+区之间的绝缘层外蒸发一层金属铝作栅极g。衬底引出引线B，将它与源极连在一起。图（b）是其电路符号，其箭头的方向表示由P型衬底指向N型沟道。图(a)图(b)第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路142)工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。UGS=0，或者栅极悬空时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。Bds第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路15工作原理P型衬底中的电子被吸引靠近SiO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。N+N+BPdgs耗尽层uGSN+N+BPdgs耗尽层uGS(a)UDS=0，0UGSUT第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路16(b)UDS=0，UGS≥UT由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。N+N+BPdgs电子反型层uGSN+N+BPdgs电子反型层uGS第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路17(c)UDSUGS–UT，即UGD=UGS–UDSUT导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。N+N+BPdgs电子反型层uGSuDSN+N+BPdgs电子反型层uGSuDS(d)UDS=UGS–UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。BN+N+Pdgs电子反型层uGSuDSBN+N+Pdgs电子反型层uGSuDS第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路18(e)UDSUGS–UT，UGDUT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。N+N+Pdgs电子反型层uGSuDSBN+N+Pdgs电子反型层uGSuDSB第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路193)特性曲线(a)转移特性(b)输出特性UGSUT，ID=0；UGS≥UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2TGSDOD)1(-UUII(当UGSUT时)四个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区和击穿区。IDO2UT0UTuGS/ViD/mA0uDS/ViD/mA可变电阻区恒流区击穿区预夹断轨迹uGS=2UTuGS=UT第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路20(2)N沟道耗尽型MOS场效应管制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。UGS=0，UDS0，产生较大的漏极电流；UGS0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS=-UP,感应电荷被“耗尽”，ID0。UP称为夹断电压N+N+BPdgs电子反型层uGS++++++++++++++++++第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路21N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：uDS0；uGS正、负、零均可。sgdB0UPuGS/ViD/mAIDSS(a)转移特性uDS/ViD0uGS0uGS=0uGS0uGS0uGS0(b)输出特性(c)符号第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路223.场效应管的主要参数(1)夹断电压UP(2)开启电压UT(4)直流输入电阻RGS输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。(3)饱和漏极电流IDSS第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路23(5)低频跨导gm(6)极间电容用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。常数DSGSDmΔΔuUIg单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路24(7)漏极最大允许耗散功率PDM(8)漏源击穿电压U(BR)DS(9)栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。第2章三极管及其放大电路2.7场效应晶体管放大电路25