中国互联网络发展状况统计报告(XXXX

第三章场效应管场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，所以又称之为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也叫单极型半导体三极管。因它具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）或称MOS型场效应管两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。qq群发）结构结型场效应管（JFET）结构示意图如图3.1（a）所示。N沟道G栅极S源极D漏极NPP(a)GDS(b)3DJ7DGS(c)图3.1N（a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图漏极GDSP沟道G栅极S源极DPNN(a)(b)图3.2P沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号2.工作原理现以N沟道结型场效应管为例讨论外加电场是如何来控制场效应管的电流的。如图3.3所示，场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS≤0，漏源之间加正向电压，即UDS＞0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。NDGSPPIDUDS＋＋－UDD＋－UGGUGS－＋－图3.3场效应管的工作原理1）UGS对导电沟道的影响当UGS＝０时，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，形成两个耗尽层,如图3.4（ａ）所示。此时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。当|UGS|值增大时，栅源之间反偏电压增大，PN结的耗尽层增宽，如图3.4（b）所示。导致导电沟道变窄，沟道电阻增大。当|UGS|值增大到使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，如图3.4（c）所示。沟道电阻趋于无穷大。对应的栅源电压UGS称为场效应管的夹断电压，用UGS(off)来表示。N沟道DGSNDGSUGGPPP(b)DGSUGG耗尽层＋－(a)(c)PP－＋P图3.4UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断2）UDS对导电沟道的影响设栅源电压UGS=0,当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如图3.4（a）所示。当UDS增加时，漏极电流ID从零开始增加，ID流过导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽;靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图1.35可知，UDS的主要作用是形成漏极电流ID。3）UDS和UGS对沟道电阻和漏极电流的影响设在漏源间加有电压UDS，当UGS变化时，沟道中的电流ID。当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流ID减小，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。当0UGSUGS(off)时，沟道电流ID在零和最大值之间变化。改变栅源电压UGS的大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了漏极电流ID的大小。场效应管和普通三极管一样，可以看作是受控的电流源，但它是一种电压控制的电流源。3.结型场效应管的特性曲线1）转移特性曲线转移特性曲线是指在一定漏源电压UDS作用下，栅极电压UGS对漏极电流ID的控制关系曲线，常数GSUGSDUfI)(图3.5为特性曲线测试电路。图3.6为转移特性曲线。从转移特性曲线可知，UGS对ID的控制作用如下：＋－VmAV＋UGGGUGSSDUDS－UDDID图3.5场效应管特性测试电路ID/mA54321UGS/VUDS＝10VUGS(off)0－1－2－3－4IDSS－3.4图3.6转移特性曲线当UGS=0时，导电沟道最宽、沟道电阻最小。所以当UDS为某一定值时，漏极电流ID最大，称为饱和漏极电流,用IDSS表示。当|UGS|值逐渐增大时，PN结上的反向电压也逐渐增大，耗尽层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流ID逐渐减小。当UGS=UGS(off)时，沟道全部夹断，ID=0。2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输出特性曲线是指在一定栅极电压UGS作用下，ID与UDS之间的关系曲线，常数GSUGSDUfI)(图3.7所示为结型场效应管的输出特性曲线，可分成以下几个工作区。ID/mA54321UDS/V01020－3.4V－2V－1VUGS＝0可变电阻区预夹断轨迹恒流区夹断区图3.7结型场效应管的输出特性曲线（1）可变电阻区。当UGS不变，UDS由零逐渐增加且较小时，ID随UDS的增加而线性上升，场效应管导电沟道畅通。漏源之间可视为一个线性电阻RDS，这个电阻在UDS较小时，主要由UGS决定，所以此时沟道电阻值近似不变。而对于不同的栅源电压UGS，则有不同的电阻值RDS，故称为可变电阻区。（2）恒流区（或线性放大区）。图1.29中间部分是恒流区，在此区域ID不随UDS的增加而增加，而是随着UGS的增大而增大，输出特性曲线近似平行于UDS轴，ID受UGS的控制，表现出场效应管电压控制电流的放大作用，场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。（3）夹断区。当UGSUGS(off)时，场效应管的导电沟道被耗尽层全部夹断，由于耗尽层电阻极大，因而漏极电流ID几乎为零。此区域类似于三极管输出特性曲线的截止区，在数字电路中常用做开断的开关。（4）击穿区。当UDS增加到一定值时，漏极电流ID急剧上升，靠近漏极的PN结被击穿，管子不能正常工作，甚至很快被烧坏。3.2绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为10+6~10+9Ω。由于PN结反偏时，总有一定的反向电流存，而且受温度的影响，因此，限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高。而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极、源极及沟道是绝缘的，输入电阻可高达10+9Ω以上。由于这种场效应管是由金属（Metal）,氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故称MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类。1.Ｎ沟道增强型绝缘栅场效应管1）结构和符号图3.8是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D；在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称之为绝缘栅场效应管。绝缘栅场效应管的图形符号如图3.8（b）、(c)所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管(图(b))，否则为P沟道MOS管(图(c))。(a)(c)N＋N＋P衬底SGD铝二氧化硅(SiO2)(衬底引线)BDGBS(b)DGBS图3.8MOS管的结构及其图形符号2）工作原理图3.9是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图，图3.9（b）是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS,并且源极与衬底连接,衬底是电路中最低的电位点。当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流ID=0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底以及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故。(a)(b)N＋N＋P型衬底SGDRDUDDRDUDDGDSUGG图3.9N沟道增强型MOS(a)示意图；(b)电路图当UGS0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极G指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS(th)表示。当UGSUGS(th)时，UGS增大、电场增强、沟道变宽、沟道电阻减小、ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。所以改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而达到控制电流ID的大小，随着UGS的增强，导电性能也跟着增强，故称之为增强型。必须强调，这种管子当UGSUGS(th)时，反型层（导电沟道）消失，ID=0。只有当UGS≥UGS(th)时，才能形成导电沟道，并有电流ID。3）特性曲线（1常数GSUGSDUfI)(由图3.10所示的转移特性曲线可见，当UGSUGS(th)时，导电沟道没有形成，ID=0。当UGS≥UGS(th)时，开始形成导电沟道，并随着UGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻变小，电流ID增大。（2）常数GSUDSDUfI)(012345612345ID/mAUGS(th)UGS/VUDS＝10V图3.10转移特性曲线图3.11为输出特性曲线，与结型场效应管类似，也分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区，其含义与结型场效应管输出特性曲线的几个区相同。UDS/V46801234UGS＝5V4.5V预夹断轨迹ID/mA2564V3.5V3V2V图3.11输出特性曲线2.N沟道耗尽型MOS管1）结构、符号和工作原理N沟道耗尽型MOS管的结构如图3.12（a）所示，图形符号如图3.12（b）所示。N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这些正离子的存在，使得UGS=0时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道。NN＋＋＋＋＋＋＋＋－＋－SUGSGDUDS耗尽层N沟道P铝电极(a)GSD衬底(b)图3.12N沟道耗尽型MOS管的结构和符号（a）结构;（b）图形符号如果在栅源之间加负电压，UGS所产生的外电场就会削弱正离子所产生的电场，使得沟道变窄，电流ID减小;反之，电流ID增加。故这种管子的栅源电压UGS可以是正的，也可以是负的。改变UGS，就可以改变沟道的宽窄，从而控制漏极电流ID。2）特性曲线（1）输出特性曲线。N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线如图3.13（a）所示，曲线可分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区。(a)UDS/V8121602468UGS＝0恒流区41012－2V1V261014－1V2V可变电阻区ID/mA图3.13N沟道耗尽型MOS（a）输出特性曲线（2）转移特性曲线。N沟道耗尽型MOS管的转移特性曲线如图3.13（b）所示。从图中可以看出，这种MOS管可正可负，且栅源电压UGS为零时，灵活性较大。当UGS=0时，靠绝缘层中正离子在P型衬底中感应出足够的电子，而形成N型导电沟道，获得一定的IDSS。当UGS0时，垂直电场增强，导电沟道变宽，电流ID增大。当UGS0时，垂直电场减弱，导电沟道变窄，电流ID减小。当UGS=UGS(th)时，导电沟道全夹断，ID=0。(b)－3－2－101224681012ID/mAUGS(off)IDSSUDS/V图3.13N沟道耗尽型MOS（a）输出特性曲线;b）转移特性曲线3.3场效应管的主要参数及注意事项1.主要参数1)开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)UDS等于某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电流时，栅源之间所加的电压UGS，①对于增强型管，称为开启电压UGS(th)；②对于耗尽型管和结型管，称为夹断电压UGS(off)。2)饱和漏极电流IDSS饱和漏极电流是指工作于饱和区时，耗尽型场效应管在UGS=0时的漏极电流。3）低频跨导gm（又称低频互导）低频跨导是指UDS为某一定值时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比，即常数DSUGSDmUIg式中，ΔID为漏