場(chǎng)效應(yīng)管MOS概要課件

1、 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管 BJT是一種電流控制元件(iB iC)，工作時(shí)，多子和少子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類： 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor，F(xiàn)ET）是電壓控制器件(uGS iD) ，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電：?jiǎn)螛O型器件。 FET因制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管 BJT是一種電一、 JFET的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、工作原理 # 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？表示柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流方向是由柵極的P區(qū)指向N溝道。NP+P+DSG

2、DG S DG SbcePN結(jié)柵極漏極源極N溝道JFET的電路符號(hào)導(dǎo)電溝道P溝道JFETPN+N+DSe漏極源極P溝道JFET的電路符號(hào)# FET和BJT的電極對(duì)應(yīng)關(guān)系：G-b； D-c； S-e；# 因FET結(jié)構(gòu)對(duì)稱，漏極和源極可互換使用。（BJT不能）一、 JFET的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、工作原理 # 符號(hào)中的注意：JFET工作時(shí)，必須使柵極-溝道間的PN結(jié)反偏。GNP+P+DS因柵極溝道間的PN結(jié)反偏，柵極電流iG0；柵極不取電流。柵極輸入阻抗高達(dá)107以上。在D-S間加一個(gè)正電壓uDS0,N溝道中的多子在電場(chǎng)作用下由S向D漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD ，iDiGiD的大小受uGS的控制。下面主要討

3、論uGS對(duì)iD的控制作用以及uDS對(duì)iD的影響。*FET的“柵極不取電流”這一點(diǎn)很重要，可給分析帶來(lái)方便FET三個(gè)電極的電流關(guān)系為：iG0 ；iD iS 。N溝道JFET:P溝道JFET:只有一種載流子（多子）參與導(dǎo)電；注意：JFET工作時(shí)，必須使柵極-溝道間的PN結(jié)反偏。GNP （1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用 在柵源間加負(fù)電壓uGS ，令uDS =0 當(dāng)uGS=0時(shí)，為一個(gè)平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。當(dāng)uGS時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。當(dāng)uGS到一定值時(shí) ，溝道會(huì)完全合攏。定義： 夾斷電壓UGS(off)使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS （1）柵源電

4、壓對(duì)溝道的控制作用 在柵源間加負(fù)電壓uGS（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用 在漏源間加電壓uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以導(dǎo)電溝道最寬。 當(dāng)uDS=0時(shí)， iD=0。uDSiD 靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。當(dāng)uDS ，使uGD=uG S- uDS=UGS(off)時(shí)，在靠漏極處夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前， uDSiD 。預(yù)夾斷后， uDSiD 幾乎不變。uDS再，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。 （3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用 iD=f（ uGS 、uDS），可用兩組特性曲線描述（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用 在漏源間加電壓uDS ，溝道預(yù)夾斷后，uDS當(dāng)uDS較小時(shí)，由

5、于溝道較寬，iD隨uDS的增大成正比地增大；回顧：D、S間的電位梯度使導(dǎo)電溝道呈楔形；uDS |uGD| 耗盡層越寬當(dāng)uGD= uGS-uDS= UGS(off)(負(fù)數(shù))此時(shí)兩耗盡層在A點(diǎn)相遇，為預(yù)夾斷狀態(tài)。（預(yù)夾斷方程）夾斷區(qū)長(zhǎng)度外電壓的增量主要降落在夾斷區(qū)上。iD趨于飽和，不再隨uDS的增加而上升 。uDSiD0 UGD=UGS(off)BUDS IDSS飽和漏極電流uDS BUDS，PN結(jié)擊穿， iD急劇增大。uGS=0改變的uGS值，得到一簇特性曲線。-2V-4V-6V即：uDS= uGS- UGS(off)JFET的輸出特性曲線二、 JFET的特性曲線溝道預(yù)夾斷后，uDS當(dāng)uDS較小

6、時(shí)，由于溝道較寬，iD隨uDSiD0 0-4-1-2-3uGS=uDS1. 輸出特性曲線 可變電阻區(qū)恒流區(qū)（飽和區(qū)、線性區(qū)）擊穿區(qū)截止區(qū)（全夾斷區(qū)）IDSS可變電 阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū) 截止區(qū)UGS(off)溝道電阻受柵源電壓控制。JFET作放大器件時(shí)應(yīng)工作在恒流區(qū)。DGSiD受uGS控制，iD基本不受uDS的影響。BUDSuGSuGS(off)在數(shù)字邏輯電路中FET工作在可變電阻區(qū)或截止區(qū)。uDSiD0 0-4-1-2-3uGS=uDS1. 輸出特性DGSuDS0 04123uGS=IDSS可變電 阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)iD uDS截止區(qū)UGS(off) uGSuGS(off)P溝道JFET的輸出特性

7、： 要求： uGS 0; uDS 0GP+P+DSP電流由S流向D DGSuDS0 04123uGS=IDSS可變電恒流區(qū)擊iDN溝道JFET各工作區(qū)的條件 ： 截止區(qū)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷狀態(tài)恒流區(qū)電源極性u(píng)GSuGD/uGS 0; uDS 0uGS uGS(off)uGS(off) uGS(off)uGD=uGS(off)uGDuGS(off)P溝道JFET各工作區(qū)的條件 ： 截止區(qū)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷狀態(tài)恒流區(qū)電源極性u(píng)GSuGD/uGS 0; uDS 0uGSuGS(off)0 uGS uGS(off) uGD=uGS(off)uGDuGS(off)N溝道JFET各工作區(qū)的條件 ： 截止區(qū)可變電

8、阻區(qū)例題 ：+8V-2V+8V-5V-8V截止區(qū)uGSuGS(off)uGD=-10V uGS(off)恒流區(qū)uGS2VuGS5VuGS(off) uGSuGS(off)恒流區(qū)已知FET各極電位，如何判斷管子的工作狀態(tài)？認(rèn)清器件類型：N溝道/P溝道看uGS與夾斷電壓uGS(0ff)的關(guān)系看uGD與夾斷電壓uGS(0ff)的關(guān)系例題 ：+8V-2V+8V-5V-8V截止區(qū)uGSuGS(2. 轉(zhuǎn)移特性 （FET工作在恒流區(qū)）表示漏源電壓一定時(shí)，柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用。曲線方程為：024641220UGS=0V-1-2-3-4UGS(off)-4-1-2-30246轉(zhuǎn)移特性曲線IDS

9、S2. 轉(zhuǎn)移特性 （FET工作在恒流區(qū)）表示漏源電1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 （IGFET）（a）增強(qiáng)型N溝道MOSFET（b）增強(qiáng)型P溝道MOSFET（c）耗盡型N溝道MOSFET（c）耗盡型P溝道MOSFET當(dāng)uGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道當(dāng)uGS=0時(shí)，就存在導(dǎo)電溝道GDS（a）GDS（b）GDS（c）GDS（d）BBBB1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 （IGFET）（a）增強(qiáng)型N溝 P 型襯底1、 N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)、符號(hào)、工作原理N+N+GBGDSBSD在分立元件中，襯底一般與源極相接，封裝后有三個(gè)電極。箭頭方向表示由P型襯底指向N型溝道G與S、D之間均無(wú)電接觸，稱為絕緣柵

10、型場(chǎng)效應(yīng)管。二氧化硅絕緣層輸入阻抗：（柵極不取電流）因柵極絕緣，輸入阻抗比JFET還高，RGS1010iG=0；iD iS絕緣：三個(gè)電極的電流關(guān)系： P 型襯底1、 N溝道增強(qiáng)型MOSFET一、結(jié)構(gòu)、 P 型襯底GSDBN+N+工作原理1、當(dāng)uGS=0時(shí)，無(wú)論D、S間加何種極性的電壓， 其間的PN結(jié)總有一個(gè)處于反偏，無(wú)導(dǎo)電溝道， iD=0。2、若uDS=0時(shí)， uGS0，G到B電場(chǎng)吸引電子排斥空穴當(dāng)uGSUGS (th)(反型層)uGS 反型層 溝道電阻若在DS間加一個(gè)正電壓，則 iD 形成N型薄層uGS (th)開啟電壓（重要參數(shù)）DS間形成導(dǎo)電溝道 uGS對(duì)iD有控制作用。（為增強(qiáng)型MOS

11、FET）結(jié)論：柵源電壓通過(guò)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少來(lái)改變溝道電阻從而控制漏極電流的大小，也是“電壓控制電流器件”。 P 型襯底GSDBN+N+工作原理1、當(dāng)uGS=0時(shí)，3、當(dāng)導(dǎo)電溝道形成后， uDS對(duì)iD的影響。 uDS較小時(shí)，滿足條件 uGD = uGS-uDS UGS (th)此時(shí)溝道連續(xù)，iD uDSGSD P 型襯底BN+N+ 隨uDS的增大，漏端溝道明顯變窄，此時(shí)溝道預(yù)夾斷。溝道夾斷后，uDS上升，iD 趨于飽和。由于D、S間存在電位差，D端高，S端低，所以導(dǎo)電溝道呈楔形。（預(yù)夾斷方程）uDSiD0uGSuGS(th)BUDS 6V當(dāng)uGD = uGS-uDS UGS (th)

12、 5V 4VuDS BUDS，PN結(jié)擊穿， iD急劇增大。改變的uGS值，得到一簇特性曲線。3、當(dāng)導(dǎo)電溝道形成后， uDS對(duì)iD的影響。 uDS較小時(shí)二、特性曲線和主要參數(shù)uGS 0; uDS 0要求：iDuDS04V3V2V 5V1. 輸出特性 可變電 阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū) 截止區(qū)uGS= UGS(th) uGD= uGS(th)預(yù)夾斷BUDSN溝道增強(qiáng)型MOSFET各工作區(qū)的條件：恒流區(qū)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷狀態(tài)截止區(qū)/uGDuGS電源極性u(píng)GS 0;uGSuGS(th)uGD=uGS(th)uGDuGS(th)uGD 0二、特性曲線和主要參數(shù)uGS 0; uDS 0要求：2. 轉(zhuǎn)移特性曲線 iDu

13、DS0 5V4V3V2V10ViDuGS0UGS(th)IDO2UGS(th)（恒流區(qū)）轉(zhuǎn)移特性曲線的方程：3. 主要參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)：（2）漏極輸出電阻rd：（3）低頻跨導(dǎo)gm：2. 轉(zhuǎn)移特性曲線 iDuDS0 5V4V3V21、結(jié)構(gòu)和工作原理二、 N溝道耗盡型MOSFETGSD P 型襯底BN+N+GDSB1）當(dāng)uGS=0時(shí)，正離子使導(dǎo)電溝道形成。2）當(dāng)uGS0，溝道加寬； uGS0，溝道變窄。3）當(dāng)uGS負(fù)值達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，溝道消失，此時(shí)的uGS= UGS (off) 0，溝道加寬； uGS0，溝道變窄。3）當(dāng)uGS負(fù)值達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，溝道消失，此時(shí)的uGS= UGS

14、 (off) 0為管子的夾斷電壓。4）uDS對(duì)iD的影響與增強(qiáng)型MOSFET相似。2、特性曲線iDuDS0 0.2V0V-0.3V可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū) 截止區(qū)-0.6V 0.4V輸出特性曲線UGS(off) 1、結(jié)構(gòu)和工作原理GSD P 型襯底BN+N+2、特性曲線iDuDS0 0.2V0V-0.3V可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū) 截止區(qū)-0.6V 0.4V輸出特性曲線UGS(off) iDuGS0UGS(off)IDSS轉(zhuǎn)移特性曲線耗盡型MOSFET的柵源電壓可為正值，也可為負(fù)值和0，使用較為靈活。曲線方程：與JFET相同。2、特性曲線iDuDS0 0.2V0V-0.3V可變電恒流區(qū)2、特性曲線i

15、DuDS0 0.2V0V-0.3V可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū) 截止區(qū)-0.6V 0.4VUGS(off) GSD P 型襯底BN+N+N溝道耗盡型MOSFET各工作區(qū)的條件：恒流區(qū)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷狀態(tài)截止區(qū)/uGDuGS電源極性u(píng)GSuGS(off)uGD=uGS(off)uGDuGS(off)uGD 02、特性曲線iDuDS0 0.2V0V-0.3V可變電恒流區(qū)判斷FET工作在何狀態(tài)？RGRDEGED3.3k100k2V10VuGS(off)=-5VIDSS=3mA恒流區(qū)可變電阻區(qū)預(yù)夾斷狀態(tài)截止區(qū)/uGDuGSuGSuGS(off)uGS(off) uGSuGS(off)uGD uGS(off)

16、 管子工作在恒流區(qū)。判斷FET工作在何狀態(tài)？RGRDEGED3.3k100k2VuGS(th)=3VuGS=2V 0uGSuGS(th)uGD=uGS(th)uGDuGS(th)uGDuGS(th)uGS(th)=3VuGS=2V U(BR)GS ，PN 將被擊穿。三、極限參數(shù)1. 漏極最大允許耗散功率 PDM2. 漏源擊穿 低頻跨導(dǎo)gm：uDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流iD的微變量與引起這個(gè)變化的柵源電壓uGS的微變量的比。反映柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制能力，是表征FET放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。gm也可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，gm的值較小，一般為十分之幾到幾mS，iDuGS0UGS(off)

17、IDSS就是轉(zhuǎn)移特性曲線在工作點(diǎn)處的切線斜率，*注意gm的值隨工作點(diǎn)的不同而不同。因此FET的放大能力比BJT弱。 低頻跨導(dǎo)gm：uDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流iD的微變量與引MOS管的四種基本類型符號(hào)GSDN 溝道耗盡型GSDN溝道增強(qiáng)型MOS管的四種基本類型符號(hào)GSDN 溝道耗盡型GSDN溝GSDP 溝道增強(qiáng)型GSDP 溝道耗盡型GSDP 溝道增強(qiáng)型GSDP 溝道耗盡型MOS管另外一種常用符號(hào)柵極源極漏極柵極(gate)源極(source)漏極 (drain)VgsVgsN溝道MOS管P溝道MOS管+-+-MOS管另外一種常用符號(hào)柵極源極漏極柵極(gate)源極(s 場(chǎng)效應(yīng)管FET與BJT的比較

18、FETBJT導(dǎo)電機(jī)理單極型三極管利用多子導(dǎo)電雙極型三極管多子、少子都參與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)對(duì)稱一定條件下D、S可互換結(jié)構(gòu)不對(duì)稱C、E不能互換控制方式電壓控制型器件uGS控制iD電流控制型器件iB控制iC直流輸入電阻直流輸入電阻很大，JFET大于107，MOSFET大于1010因發(fā)射結(jié)正偏，直流輸入電阻相對(duì)較小穩(wěn)定性及噪聲具有較好的溫度穩(wěn)定性、抗輻射性和低噪聲受溫度和輻射影響較大放大能力gm較小，放大能力較弱較大，放大能力較強(qiáng) 場(chǎng)效應(yīng)管FET與BJT的比較FETBJT導(dǎo)電機(jī)理單極型三極討論作業(yè)1. 分別分析uI=0V、5V時(shí)T是工作在截止?fàn)顟B(tài)還是導(dǎo)通狀態(tài)；2. 已知T導(dǎo)通時(shí)的UBE0.7V，若uI=5V，則在什么范圍內(nèi)T處于放大狀態(tài)?在什么范圍內(nèi)T處于飽和狀態(tài)？ 通過(guò)uBE是否大于Uon判斷管子是否導(dǎo)通。臨界飽和時(shí)的3討論作業(yè)1. 分別分析uI=0V、5V時(shí)T是工作在截止作業(yè)： =50， USC =12V， RB =70k， RC =6k 當(dāng)USB = -2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)