模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第章常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管

1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第1章常用半導(dǎo)體器件1.4場效應(yīng)管12/24/2022作業(yè)1-141-151-1612/24/2022場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法場效應(yīng)管的分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述12/24/2022場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明的雙極型三極管代替了真空管，解決了當(dāng)時(shí)電話信號傳輸中的放大問題。但是這種放大電路的輸入電阻還不夠大，性能還不夠好。因此，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家繼續(xù)研究新型的三極管，在1960年發(fā)明了場效應(yīng)管。場效應(yīng)管的輸入電阻比雙極型三極管要大得多,場效應(yīng)管的工作原理與雙極型三極管不同。12/24/2022場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。三是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是當(dāng)作電流控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。12/24/2022場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。場效應(yīng)管的柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管的基極、集電極、發(fā)射極對應(yīng)。場效應(yīng)管與雙極型三極管的工作原理不同,但作用基本相同。場效應(yīng)管還可以當(dāng)作非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。12/24/2022N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管FET結(jié)型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應(yīng)管的分類12/24/2022一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理三、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及參數(shù)第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理12/24/2022一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導(dǎo)電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極12/24/2022二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)的工作原理參考方向做如下約定:12/24/2022（1）電壓源源UGS和電壓源UDS都不起作用，，電壓值均為為0；（2）只有電電壓源UGS起作用，電壓壓源UDS的電壓值為0；（3）只有電電壓源UDS起作用，電壓壓源UGS的電壓值為0；（4）電壓源源UGS和電壓源UDS同時(shí)起作用。。在給出各種情情況下的結(jié)型型場效應(yīng)管的的工作狀態(tài)時(shí)時(shí)，同時(shí)畫出出對應(yīng)的輸出出特性曲線。。特別注意:電壓參考方向向和電流參考考方向的約定定方法。參考方向可以以任意約定,不同的約定定方法得到不不同樣式的特特性曲線.書書上的特性曲曲線是按前面面的方法來約約定參考方向向的。按照如下的思思路來講解：：12/18/2022（1）UDS=0伏、UGS=0伏時(shí)JFET的工工作狀態(tài)導(dǎo)電溝道從漏漏極到源極平平行等寬。最寬這時(shí)導(dǎo)電溝道道的電阻記為為R1。12/18/2022（2）在在UDS=0伏的前提提下：│UGS│從0伏逐漸漸增加過程中中，JFET的工作狀態(tài)態(tài)（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐漸增加UGS=-1伏此時(shí)導(dǎo)電溝道道從漏極到源源極平行等寬寬這時(shí)的導(dǎo)電溝溝道的電阻用用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結(jié)施加加的是一個(gè)反反偏電壓12/18/2022（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐漸增加至UGS=Up（夾斷電壓））當(dāng)│UGS│逐漸增加至至UGS=Up時(shí)（不妨取Up=-3伏）），由UGS產(chǎn)生的PN結(jié)結(jié)左右相接，，使導(dǎo)電溝道道完全被夾斷斷。這時(shí)的結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管管處于截止?fàn)顮顟B(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管的一個(gè)參參數(shù)，稱為夾夾斷電壓。12/18/2022（2.3）UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，，結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管進(jìn)入擊穿穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)結(jié)上的反偏電電壓超過U（BR）DS時(shí)，結(jié)型場效效應(yīng)管將進(jìn)入入擊穿狀態(tài)。。12/18/2022（3）在UGS=0伏的前提提下，分別討討論UDS由小變大的過過程中JFET的幾種工工作狀態(tài)（3.1））UGS=0伏:UDS的值比較小時(shí)時(shí)UDS給PN結(jié)施加加的是一個(gè)反反偏電壓12/18/2022導(dǎo)電溝道不再再是上下平行行等寬，而是是上窄下寬。。當(dāng)UDS比較小時(shí)，導(dǎo)電溝道不不會(huì)被夾斷。。在導(dǎo)電溝道沒沒有被夾斷之之前，可以近近似地認(rèn)為導(dǎo)導(dǎo)電溝道的電電阻均為R1，此時(shí)導(dǎo)電溝溝道可以認(rèn)為為是一個(gè)線性性電阻。12/18/2022（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│時(shí)PN結(jié)在靠近近漏極的一點(diǎn)點(diǎn)最先相接，，導(dǎo)電溝道被被預(yù)夾斷。對應(yīng)輸出特特性曲線中的的A點(diǎn)。此時(shí)時(shí)溝道中的電電流為可能的的最大的電流流，稱為飽和和漏極電流，，記作IDSS。12/18/2022（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加12/18/2022當(dāng)電壓源UDS增加時(shí)，可以以近似認(rèn)為漏漏極電流不隨隨UDS的增加而增加加。此時(shí)的電電流仍然是IDSS，JFET管管的狀態(tài)稱為為恒流狀態(tài)（（放大狀態(tài)、、飽和狀態(tài)））。此時(shí)場效應(yīng)管管可當(dāng)作電壓壓控制器件用用來組成放大大電路。12/18/2022（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DSPN結(jié)上的反反偏電壓超過過某值時(shí)，結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管管將進(jìn)入擊穿穿狀態(tài)，如圖圖中的B點(diǎn)所所示。此時(shí)的的UDS值為最大漏源源電壓，記為為U（BR）DS。12/18/2022(4)在在UGS=-1伏伏（（即即││UGS│<││Up│的的某某個(gè)個(gè)值值））的的前前提提下下，，當(dāng)當(dāng)UDS由小小變變大大時(shí)時(shí)，，JFET的的狀狀態(tài)態(tài)(4.1)UGS=-1伏伏、、UDS的值值比比較較小小時(shí)時(shí)導(dǎo)電電溝溝道道不不再再是是上上下下平平行行等等寬寬，，而而是是上上窄窄下下寬寬。。近近似似地地認(rèn)認(rèn)為為導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道的的電電阻阻均均為為R2，導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道呈呈現(xiàn)現(xiàn)線線性性電電阻阻的的性性質(zhì)質(zhì)。。12/18/2022(4.2)UGS=-1伏、、UDS的值值增增加加至至某某值值開開始始出出現(xiàn)現(xiàn)預(yù)預(yù)夾夾斷斷如圖圖所所示示，，當(dāng)當(dāng)UDS的值值增增加加至至某某值值（（此此值值比比││Up│小?。r(shí)時(shí)，，兩兩邊邊的的PN結(jié)結(jié)在在靠靠近近漏漏極極的的某某點(diǎn)點(diǎn)最最先先相相接接，，導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道被被預(yù)預(yù)夾夾斷斷,在在此此點(diǎn)點(diǎn)有有││UGS│+UDS=││Up│。。JFET的的狀狀態(tài)態(tài)對對應(yīng)應(yīng)輸輸出出特特性性曲曲線線中中的的M點(diǎn)點(diǎn)。。M點(diǎn)點(diǎn)對對應(yīng)應(yīng)的的UDS值比比A點(diǎn)點(diǎn)對對應(yīng)應(yīng)的的UDS值小小，，因因?yàn)闉閁DS=││Up│-││UGS│<││Up│。。12/18/2022(4.3)UGS=-1伏伏、、UDS的值值繼繼續(xù)續(xù)增增加加當(dāng)UDS繼續(xù)續(xù)增增加加時(shí)時(shí)，，兩兩邊邊PN結(jié)結(jié)相相接接的的區(qū)區(qū)域域繼繼續(xù)續(xù)向向源源極極方方向向擴(kuò)擴(kuò)展展，，此此時(shí)時(shí)導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道在在靠靠近近源源極極的的區(qū)區(qū)域域依依然然存存在在，，導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道對對應(yīng)應(yīng)的的電電阻阻比比較較小小。。漏漏極極電電流流不不隨隨UDS的增增加加而而增增加加。。12/18/2022(4.4））UGS=-1伏伏、、UDS繼續(xù)續(xù)增增加加至至出出現(xiàn)現(xiàn)PN結(jié)結(jié)擊擊穿穿UGS和UDS電壓壓源源分分別別使使PN結(jié)結(jié)反反偏偏，，它它們們共共同同作作用用使使靠靠近近漏漏極極的的PN結(jié)結(jié)承承受受最最大大的的反反偏偏電電壓壓，，UDS增加加使使PN結(jié)結(jié)上上的的反反偏偏電電壓壓過過大大時(shí)時(shí)，，在在靠靠近近漏漏極極的的區(qū)區(qū)域域首首先先出出現(xiàn)現(xiàn)反反向向擊擊穿穿。。結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管進(jìn)進(jìn)入入反反向向擊擊穿穿狀狀態(tài)態(tài)，，此此時(shí)時(shí)的的UDS值比比UGS=0時(shí)時(shí)出出現(xiàn)現(xiàn)反反向向擊擊穿穿的的UDS小。。12/18/2022(5)當(dāng)當(dāng)UGS≤UP時(shí)，，JFET處處于于截截止止?fàn)顮顟B(tài)態(tài)當(dāng)UGS≤UP時(shí)，，導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道全全部部被被夾夾斷斷，，JFET處處于于截截止止?fàn)顮顟B(tài)態(tài)，，在在數(shù)數(shù)字字電電路路中中作作為為開開關(guān)關(guān)元元件件的的一一個(gè)個(gè)狀狀態(tài)態(tài),對對應(yīng)應(yīng)于于開開關(guān)關(guān)斷斷開開。。不同同UGS下預(yù)預(yù)夾夾斷斷點(diǎn)點(diǎn)相相連連成成一一條條曲曲線線，，此此曲曲線線與與縱縱軸軸相相夾夾的的區(qū)區(qū)域域稱稱為為可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)。。此此時(shí)時(shí)場場效效應(yīng)應(yīng)管管當(dāng)當(dāng)作作壓壓控控可可變變電電阻阻，，即即非非線線性性電電阻阻來來使使用用。。可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)在在數(shù)數(shù)字字電電路路中中作作為為開開關(guān)關(guān)元元件件的的一一個(gè)個(gè)狀狀態(tài)態(tài)，，相相當(dāng)當(dāng)于于開開關(guān)關(guān)閉閉合合，，此此時(shí)時(shí)的的UDS記為UDS（（sat）），UDS（（sat））≤│Up│。12/18/2022JFET的三三個(gè)狀態(tài)恒流區(qū)（放大大區(qū)、飽和區(qū)區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)12/18/2022小結(jié)溝道中只有一一種類型的多多數(shù)載流子參參與導(dǎo)電，所所以場場效應(yīng)管也也稱為單極型型三極管。JFET是電壓控制電電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)關(guān)系；預(yù)夾斷斷后，iD趨于飽和。思考：為什么JFET的輸入電電阻比BJT高得多？JFET柵極極與溝道間的的PN結(jié)是反反向偏置的，，因此iG0，輸入電阻很很高。JFET是利利用PN結(jié)反反向電壓對耗耗盡層厚度的的控制，來改改變導(dǎo)電溝道道的寬窄，從從而控制漏極極電流的大小小。12/18/2022場效應(yīng)管的應(yīng)應(yīng)用小結(jié)一是當(dāng)作壓控控可變電阻，，即非線性電電阻來使用，，VGS的絕對值越大大，導(dǎo)電溝道道就越窄，對對應(yīng)的導(dǎo)電溝溝道電阻越大大，即電壓VGS控制電阻的大大小，管子工工作在可變電電阻區(qū)，當(dāng)作作壓控可變電電阻使用時(shí)，，導(dǎo)電溝道還還沒有出現(xiàn)預(yù)預(yù)夾斷；二是當(dāng)作電壓壓控制器件用用來組成放大大電路，VGS電壓控制漏極極電流的大小小，控制比例例系數(shù)為gm,VGS電壓的絕對值值越大，漏極極電流越小，，管子工作在在恒流區(qū)（放放大區(qū)、飽和和區(qū)），此時(shí)時(shí)導(dǎo)電溝道已已經(jīng)出現(xiàn)預(yù)夾夾斷，夾斷區(qū)區(qū)域向漏極方方向延伸，但但是仍然留存存一部分導(dǎo)電電溝道；三是在數(shù)字電電路中用做開開關(guān)元件，管管子工作在可可變電阻區(qū)和和截止區(qū)，有有兩個(gè)明確、、穩(wěn)定的狀態(tài)態(tài)。漏極和源源極相當(dāng)于開開關(guān)的兩個(gè)觸觸點(diǎn)，在可變變電阻區(qū)，相相當(dāng)于開關(guān)閉閉合，在截止止區(qū)，相當(dāng)于于開關(guān)斷開，，場效應(yīng)管相相當(dāng)于一個(gè)無無觸點(diǎn)的開關(guān)關(guān)。12/18/2022第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)應(yīng)管（IGFET)的結(jié)結(jié)構(gòu)和工作原原理一、IGFET的結(jié)結(jié)構(gòu)12/18/2022MOS場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型的MOS管P溝道增強(qiáng)型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管MOS場效應(yīng)應(yīng)管分類12/18/202212/18/202212/18/2022二、增強(qiáng)強(qiáng)型MOS場場效應(yīng)管一N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)二N溝道增強(qiáng)型MOS的工作原理理三N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特特性曲線12/18/2022一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)漏極D→集電電極C源極S→發(fā)射射極E絕緣柵極G→→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化化物基體—半導(dǎo)體體因此稱之為MOS管12/18/2022P溝道道增強(qiáng)型型MOS場場效應(yīng)應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)12/18/2022二、N溝溝道增強(qiáng)型型MOS的的工作作原理理12/18/2022按照如如下的的思路路來講講解：：（1））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS都不起起作用用，電電壓值值均為為0；；（2））只有有電壓壓源VGS起作用用，電電壓源源VDS的電壓壓值為為0；；（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為0；；（4））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS同時(shí)起起作用用。在給出出各種種情況況下的的MOS場場效應(yīng)應(yīng)管的的工作作狀態(tài)態(tài)時(shí)，，同時(shí)時(shí)畫出出對應(yīng)應(yīng)的輸輸出特特性曲曲線。。12/18/2022（1））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS都不起起作用用，電電壓值值均為為0；；當(dāng)VGS=0V，，VDS=0V時(shí)，漏漏源之之間相相當(dāng)兩兩個(gè)背背靠背背的PN結(jié)結(jié)12/18/2022（2））只有有電壓壓源VGS起作用用，電電壓源源VDS的電壓壓值為為0；；（2.1））當(dāng)當(dāng)VDS=0V，VGS較小時(shí)，雖然在在P型型襯底底表面面形成成一層層耗盡層層，但負(fù)負(fù)離子子不能能導(dǎo)電電。（2.2））當(dāng)當(dāng)VDS=0V，當(dāng)VGS=VT時(shí)，在在P型型襯底底表面面形成成一層層電子層層，形成成N型型導(dǎo)電電溝道道12/18/2022（2.3））當(dāng)VDS=0V，VGS>VT時(shí),溝溝道道加厚厚開始時(shí)時(shí)無導(dǎo)導(dǎo)電溝溝道，，當(dāng)在在VGSVT時(shí)才形形成溝溝道,這種種類型型的管管子稱稱為增增強(qiáng)型型MOS管管12/18/2022（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為大于于開啟啟電壓壓的某某值（3.1））電壓源源VDS的值較較小導(dǎo)電溝溝道在在靠近近源極極的一一邊較較寬，，導(dǎo)電電溝道道在靠靠近漏漏極的的一邊邊較窄窄，呈呈現(xiàn)楔楔型，，此時(shí)時(shí)導(dǎo)電電溝道道的電電阻近近似認(rèn)認(rèn)為與與平行行等寬寬時(shí)的的一樣樣。對對應(yīng)特特性曲曲線的的可變變電阻阻區(qū)電壓源源VDS的作用用使導(dǎo)導(dǎo)電溝溝道有有電流流流通通，電電流的的流通通使導(dǎo)導(dǎo)電溝溝道從從漏極極到源源極有有電位位降12/18/2022（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為0（3.2））電壓源源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT導(dǎo)電溝溝道在在靠近近漏極極的一一點(diǎn)剛剛開始始出現(xiàn)現(xiàn)夾斷斷，稱稱為預(yù)預(yù)夾斷斷。此時(shí)的的漏極極電流流ID基本飽飽和。。vDS(V)iD(mA)12/18/2022（3.3））電壓源源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導(dǎo)電溝溝道夾夾斷的的區(qū)域域向源源極方方向延延伸，，對應(yīng)應(yīng)特性性曲線線的飽飽和區(qū)區(qū)，VDS增加的的部分分基本本降落落在隨隨之加加長的的夾斷斷溝道道上，，ID基本趨趨于不不變。。vDS(V)iD(mA)12/18/2022三、N溝道道增強(qiáng)型型MOS場場效應(yīng)應(yīng)管特特性曲曲線增強(qiáng)型型MOS管管iD=f(vGS)vDS=C轉(zhuǎn)移特特性曲曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特特性曲曲線vDS(V)iD(mA)當(dāng)vGS變化時(shí)時(shí)，RON將隨之之變化化，因因此稱稱之為為可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流流區(qū)區(qū)(飽飽和和區(qū)區(qū))：：vGS一定定時(shí)時(shí)，，iD基本本不不隨隨vDS變化化而而變變化化。。vGS/V12/18/2022三、耗耗盡型型MOS場效應(yīng)應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)應(yīng)管結(jié)構(gòu)構(gòu)二N溝道耗盡型MOS的工作作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)應(yīng)管特性性曲線12/18/2022一、N溝溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管結(jié)構(gòu)12/18/2022P溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管結(jié)構(gòu)12/18/2022二、N溝溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管工作原原理當(dāng)VGS=0時(shí)，，VDS加正向電電壓，產(chǎn)產(chǎn)生漏極極電流iD,此時(shí)的的漏極電電流稱為為漏極飽飽和電流流，用IDSS表示。當(dāng)VGS＞0時(shí),將使iD進(jìn)一步增增加。當(dāng)VGS＜0時(shí)，，隨著VGS的減小漏漏極電流流逐漸減減小，直直至iD=0，對對應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷斷電壓，，用符號號VP表示。。VGS(V)iD(mA)VPN溝道道耗盡型型MOS管管可工工作在在VGS0或或VGS>0N溝道道增強(qiáng)型型MOS管管只能能工作作在VGS>012/18/2