1第四节场效应三极管(精)

1第四节场效应三极管第四节场效应三极管结型场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数下页总目录2第四节场效应三极管场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道N沟道P沟道P沟道下页上页首页3第四节场效应三极管N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极结型场效应管结构导电沟道4第四节场效应三极管NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS5第四节场效应三极管PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS6第四节场效应三极管一、N沟道结型场效应管1.结构N型沟道耗尽层gdsgdsP+P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅极漏极源极下页上页首页控制电子流通数量7第四节场效应三极管2.工作原理（以N沟道为例）uGS=0uGS0uGS=UGS(off)⑴当uDS=0时，uGS对耗尽层和导电沟道的影响。ID=0ID=0下页上页首页N型沟道gdsP+P+N型沟道gdsP+P+gdsP+P+夹断电压8第四节场效应三极管沟道较宽，iD较大。iS=iDiDiSiDiSuGS=0，uGDUGS(off)uGS0，uGDUGS(off)⑵当uDS＞0时，uGS对耗尽层和iD的影响。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds沟道变窄，iD较小。下页上页首页9第四节场效应三极管NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS0，uGD=UGS(off)，uGS≤UGS(off)，uGDUGS(off)，iD≈0，导电沟道夹断。iD更小，导电沟道预夹断。下页上页首页动画10第四节场效应三极管3.特性曲线⑴转移特性iD=f（uGS）|uDS=常数2GS(off)GSDSSD)1(UuIi时）当0(GSGS(off)uUgdsmAVVIDVGGVDD场效应管特性曲线测试电路Ｎ沟道结型场效应管转移特性IDSSUGS(off)饱和漏极电流栅源间加反向电压uGS0利用场效应管输入电阻高的优点。uGS/ViD/mAO下页上页首页11第四节场效应三极管⑵漏极特性(输出特性)iD=f（uDS）|uGS=常数预夹断轨迹可变电阻区恒流区击穿区|UGS(off)|8VIDSSuGS=0-4-2-6-8iD/mAuDS/VO|uDS-uGS|=|UGS(off)|可变电阻区：iD与uDS基本上呈线性关系，但不同的uGS其斜率不同。恒流区：又称饱和区，iD几乎与uDS无关，iD的值受uGS控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：反向偏置的PN结被击穿，iD电流突然增大。夹断电压下页上页首页12第四节场效应三极管PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS二、P沟道结型场效应管1.结构13第四节场效应三极管2.工作原理（以P沟道为例）UDS=0V时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。14第四节场效应三极管PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时NNUGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当UGS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。15第四节场效应三极管PGSDUDSUGSNNUDS=0时UGS达到一定值时（夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS0V，漏极电流ID=0A。ID16第四节场效应三极管PGSDUDSUGSUGSUGS(off)且UDS0、UGDUGS(off)时耗尽区的形状NN越靠近漏端，PN结反压越大ID17第四节场效应三极管PGSDUDSUGSUGSUGS(off)且UDS较大时UGDUGS(off)时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。ID18第四节场效应三极管GSDUDSUGSUGSUGS(off)UGD=UGS(off)时NN漏端的沟道被夹断，称为预夹断。UDS增大则被夹断区向下延伸。ID19第四节场效应三极管GSDUDSUGSUGSUGS(off)UGD=UGS(off)时NN此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。ID20第四节场效应三极管3.特性曲线UGS0IDIDSSUGS(off)饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定UDS下的ID-UGS曲线21第四节场效应三极管预夹断曲线IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线022第四节场效应三极管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。23第四节场效应三极管三、绝缘栅场效应管1.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24第四节场效应三极管N沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电沟道GSD25第四节场效应三极管NPPGSDGSDP沟道增强型26第四节场效应三极管P沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导电沟道27第四节场效应三极管2.N沟道增强型MOS场效应管⑴结构P型衬底N+N+BsgdSiO2铝P衬底杂质浓度较低，引出电极用B表示。N+两个区杂质浓度很高，分别引出源极和漏极。栅极与其他电极是绝缘的，通常衬底与源极在管子内部连接。sgdB下页上页首页28第四节场效应三极管P型衬底N+sgdBN+开启电压，用uGS(th)表示⑵工作原理当uGS增大到一定值时，形成一个N型导电沟道。N型沟道uGSUGS(th)时形成导电沟道VGG导电沟道的形成假设uDS=0，同时uGS0靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大uGS，则耗尽层变宽。又称之为反型层导电沟道随uGS增大而增宽。下页上页首页29第四节场效应三极管uDS对导电沟道的影响uGS为某一个大于UGS(th)的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且uDSuGS-UGS(th)即uGD=uGS-uDSUGS(th)则有电流iD产生，iD使导电沟道发生变化。当uDS增大到uDS=uGS-UGS(th)即uGD=uGS-uDS=UGS(th)时，沟道被预夹断，iD饱和。P型衬底N+N+sgdBVGGN型沟道VDDuDS对导电沟道的影响下页上页首页30第四节场效应三极管⑶特性曲线IDOUGS(th)2UGS(th)预夹断轨迹可变电阻区恒流区iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO2()GSDDOGS(th)uiIU当uGS≥UGS(th)时下页上页截止区转移特性曲线可近似用以下公式表示：首页31第四节场效应三极管3.N沟道耗尽型MOS场效应管预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，使uGS=0时，产生N型导电沟道。当uGS0时，沟道变窄，达到某一负值时被夹断，iD≈0，称为夹断电压。uGS0时，沟道变宽，iD增大。gdsB下页上页首页P型衬底N+N+sgdBN型沟道++++++动画32第四节场效应三极管耗尽型：uGS=0时无导电沟道。增强型：uGS=0时有导电沟道。特性曲线IDSSUGS(off)预夹断轨迹可变电阻区恒流区IDSSiD/mAuDS/VOuGS=0-2-1+1+2uGS/VOiD/mA下页上页截止区首页33第四节场效应三极管四、场效应管的主要参数1.直流参数⑴饱和漏极电流IDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零，而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。⑵夹断电压UGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。下页上页首页34第四节场效应三极管⑶开启电压UGS(th)UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当uDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。⑷直流输入电阻RGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。下页上页首页35第四节场效应三极管2.交流参数⑴低频跨导gm用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。⑵极间电容场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD和CDS。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。DSDmGSuigu常数下页上页首页36第四节场效应三极管3.极限参数⑴漏极最大允许耗散功率PDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即pD=iDuDS。⑵漏源击穿电压U（BR)DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS。⑶栅源击穿电压U（BR）GS下页上页首页37第四节场效应三极管五、场效应管与晶体管的比较1.晶体管是流控元件,场效应管是压控元件,栅极不取电流，但放大倍数较低。2.场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。3.场效应管噪声系数小。4.场效应管漏、源极可以互换。6.场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压范围宽，应用更广泛。38第四节场效应三极管上页首页课堂练习