各种场效应管的原理和特性曲线讲解

主要内容3.0概述3.1场效应管的工作原理3.2场效应管特性曲线3.3场效应管的使用注意事项3.4场效应管的等效电路3.5场效应管电路的分析方法3.0概述场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：•场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。•场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。•场效应管受温度的影响小（只有多子漂移运动形成电流）一、场效应管的种类按结构不同分为绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管JFETP沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道MOSFET（按工作方式不同）耗尽型（DMOS）增强型（EMOS）沟道：指载流子流通的渠道、路径。N沟道是指以N型材料构成的区域作为载流子流通的路径；P沟道指以P型材料构成的区域作为载流子流通的路径。3.1场效应管的工作原理JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变栅源电压vGS，来改变导电沟道的宽度和高度，从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流iD的控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。(下面我们以N沟道JFET、N沟道增强型为例进行分析）返回3.1.2N沟道EMOSFET沟道形成原理•假设VDS=0，讨论VGS作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成空间电荷区并与PN结相通VGS衬底表面层中负离子、电子VGS开启电压VGS(th)形成N型导电沟道表面层npVGS越大，反型层中n越多，导电能力越强。反型层返回3.2场效应管的伏安特性曲线（以NEMOSFET为例）由于场效应管的栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线：ID=f(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f(VDS)VGS=常数输出特性：+TVDSIG0VGSID+--转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。NDMOSFET的特性曲线NJFET的特性曲线VDS极性取决于沟道类型N沟道：VDS0，P沟道：VDS0VGS极性取决于工作方式及沟道类型增强型MOS管：VGS与VDS极性相同。耗尽型MOS管：VGS取值任意。饱和区数学模型2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型结型FET管：VGS与VDS极性相反。MOSFET:JFET:2GS(off)GSDSSD1VVII几种FET管子的转移特性曲线比较:N沟道：VDS0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P沟道：VDS0ID(mA)VGS(V)结型结型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型MOS管：VGS与VDS极性相同。耗尽型MOS管：VGS取值任意。结型FET管：VGS与VDS极性相反。返回3.3场效应管的使用注意事项由于MOS管COX很小，因此当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。MOS管保护措施：分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：TD2D1D1D2一方面限制VGS间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。3.4场效应管的等效电路3.4.1FET直流简化电路模型(与三极管相对照)场效应管G、S之间开路，IG0。三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on)。FET输出端等效为压控电流源，ID受VGS控制。三极管输出端等效为流控电流源，满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-具体电路分析小信号等效电路3.5场效应管电路的分析方法场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用估算法分析电路直流工作点；采用小信号等效电路法分析电路动态指标。场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。估算法MOS管截止模式判断方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非饱和模式（需重新计算Q点）N沟道管：VGSVGS(th)P沟道管：VGSVGS(th)截止条件非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式。c)联立解上述方程，选出合理的一组解。d)判断电路工作模式：若|VDS||VGS–VGS(th)|若|VDS||VGS–VGS(th)|b)利用饱和区数学模型：2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI小信号等效电路法场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路将FET用小信号电路模型代替计算微变参数gm、rds注：具体分析将在第四章中详细介绍。返回场效应管与三极管性能比较项目器件电极名称工作区导电类型输入电阻跨导三极管e极b极c极放大区饱和区双极型小大场效应管s极g极d极饱和区非饱和区单极型大小