清华模电课件第3讲 场效应管

模拟电子技术哈尔滨工程大学第四节场效应晶体管(FET)单极型晶体管场效应管的特点：输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成化分类：结型(JFET)和绝缘栅型(MOS)一、结型场效应管(JFET)1结构与工作原理（1）构成场效应管(FET)是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，属于压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又称单极型晶体管。结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。模拟电子技术哈尔滨工程大学（2）工作原理N·JFET的结构及符号在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，引出的电极称为栅极G，N型半导体的两端引出两个电极，一个称为漏极D，一个称为源极S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。两个PN结之间的N沟道模拟电子技术哈尔滨工程大学①UDS决定耗尽层的楔形程度②UGS决定沟道的宽窄度③UDS、UGS同时作用工作原理模拟电子技术哈尔滨工程大学结型场效应管的工作原理①当（即、短路）时，控制导电沟道的宽窄。0DSudsGSu时，对导电沟道的控制作用0DSuGSu模拟电子技术哈尔滨工程大学当且时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。0DSu0GSu(b)当增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。GSu(c)当增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，此时值为夹断电压。GSuGSu)(offGSU(a)模拟电子技术哈尔滨工程大学②当固定时，决定耗尽层的楔形程度。GSu若，电流从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。0DSuDi)(offGSGDUu（a）)(offGSGDUu（b）)(offGSGDUu（c）且0)(GSoffGSuU0DSuDSu模拟电子技术哈尔滨工程大学栅漏电压，所以当逐渐增大时，逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。DSGSGDuuuGSuGDu一旦的增大使等于，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断，如图(b)所示，为预夹断。DSuGSu)(offGSU)(offGSGDUu若继续增大，则，耗尽层闭合部分将沿沟道延伸，即夹断区加长，如图(c)所示。DSu()GSGSoffuU因此，当时，增大几乎不变，即几乎仅仅决定于，表现出的恒流性和受控性。()GSGSoffuUDSuDiDiDiGSu模拟电子技术哈尔滨工程大学（1）转移特性及特征方程DSDGSUCIfU①当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大饱和漏电流。②当UGS＜0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降，其特征方程为2)()1(offGSGSDSSDUUII0VGSGSoffUU③当时，N沟道被夹断，ID≈0，管子截止。GSGSoffUU2结型场效应管的特性曲线模拟电子技术哈尔滨工程大学N·JFET的特性曲线（2）漏极特性GSDDSUCIfU可变电阻区、漏极特性与BJT管的输出特性相仿，也分为三个区饱和区、击穿区模拟电子技术哈尔滨工程大学P·JFETP·JFET的特性曲线模拟电子技术哈尔滨工程大学N沟道结型场效应管的结构示意图(a)N沟道管(b)P沟道管结型场效应管的符号模拟电子技术哈尔滨工程大学二、绝缘栅场效应管（MOS管）JFET的缺点MOS管的特点绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，栅极为金属铝，故又称为MOS管。MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和P沟道增强型管。输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易集成。模拟电子技术哈尔滨工程大学（1）结构与符号1N沟道耗尽型绝缘栅场效应管绝缘栅N沟道耗尽型MOS管的结构与符号B端为衬底，与源极短接在一起。模拟电子技术哈尔滨工程大学（2）N沟道的形成N沟道的形成与外电场对N沟道的影响控制原理分四种情况讨论：①时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加，由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数规律的增加。0GSu模拟电子技术哈尔滨工程大学（2）N沟道的形成N沟道的形成与外电场对N沟道的影响②时，N沟道已经存在，因此不为零，仍记以IDSS，但不是最大值。0GSuDi模拟电子技术哈尔滨工程大学③时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电阻增加，从而漏电流ID成指数规律减小。0GSu模拟电子技术哈尔滨工程大学④时，SiO2层中的正电荷全部被负电源中和，N沟道中电子全部消失，也就是说N沟道不存在了，沟道电阻为无穷大，漏电流，管子截止(夹断)。)(offGSGSUu0Di综上所述，MOS管与J型管的导电机理不同。J型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流；而MOS管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制的目的。DiDi模拟电子技术哈尔滨工程大学（3）特性曲线及工作原理①转移特性(a)转移特性；(b)漏极特性②漏极特性(d)GSGSoffuU(c)时0GSu(b)时0GSu(a)时0GSuMOS管的漏极特性与J型管类似。对N沟道也有楔形影响。越大，N沟道的楔形程度越严重。一定，楔形一定。改变大小可改变N沟道的宽窄度，从正到负，即漏极特性曲线由上而下，反映对的控制作用。DSuDSuDSuGSuGSuGSuDi模拟电子技术哈尔滨工程大学*2N沟道增强型绝缘栅场效应管（1）结构与符号增强型的特点在N沟道的形成上有所不同，增强型管子的N沟道只当外加电场uGS＞0时才能存在，而当uGS=0时，N沟道就不存在了。模拟电子技术哈尔滨工程大学（2）工作原理N沟道增强型MOS管导电沟道的形成(a)0＜UGS＜UGS(th)出现耗尽层(b)UGS＞UGS(th)出现N型沟道开启电压GSthU是指在为常量情况下，使大于零所需要的最小值。DSUDiGSu模拟电子技术哈尔滨工程大学（3）特性曲线输出特性上也分为可变电阻区、饱和区、夹断区和击穿区。20()(1)GSDDGSthUIIUID与UGS之间的关系:ID0是时的ID值。2GSGSthUU模拟电子技术哈尔滨工程大学增强型NMOS管的特性曲线(a)输出特性；(b)转移特性模拟电子技术哈尔滨工程大学*3P沟道绝缘栅场效应管(PMOS管)增强型PMOS管的结构示意图模拟电子技术哈尔滨工程大学三、场效应管的主要参数1直流参数击穿电压夹断电压GSoffU开启电压GSthU饱和漏电流DSSI直流输入电阻GSR模拟电子技术哈尔滨工程大学2微变等效电路及其参数gsdmIgU低频跨导的定义式为DSDmGSUCigu是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，与切点的位置密切相关。mgmgmg模拟电子技术哈尔滨工程大学①在漏极特性上确定gmDSDmGSUCIgU②在转移特性上求gmtanDSDmGSUCIgU③用计算法求gm2()[(1)]GSDmDSSGSGSGSoffUdIdgIdUdUU()()2[1]DSSGSGSoffGSoffIUUU0GSGSoffUU模拟电子技术哈尔滨工程大学四、场效应管和双极型三极管的比较1场效应管是电压控制元件，而双极型三极管则是电流控制元件。2场效应管是利用多数载流子导电(例如N型硅中的自由电子)，而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子。3场效应管的噪声系数比三极管要小。4有些场效应管的源极和漏极可以互换。5场效应管能在很小的电流、很低的电压条件下工作。6场效应管的工作频率较低，不适合高频运用。