場效應(yīng)管課件

1.4場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）場效應(yīng)管，是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，是電壓控制型器件。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。特點輸入端電流極小，因此它的輸入電阻很大利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，其溫度穩(wěn)定性較好抗輻射能力強、功耗低、噪聲低N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型（IGFET）1.4場效應(yīng)晶體管DSGN符號1.4.1

結(jié)型場效應(yīng)管（JunctionFieldEffectTransistor）結(jié)構(gòu)圖1.4.1

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型導(dǎo)電溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。一、結(jié)型場效應(yīng)管工作原理

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管是通過改變UGS的大小來控制漏極電流ID的。(VCCS)GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。1.當(dāng)UDS=0時，uGS

對導(dǎo)電溝道的控制作用ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS（Off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷.ID=0GDSP+P+N型溝道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS

＜UGS(off)VGGUGS(off)為夾斷電壓,為負值。UGS(off)也可用UP表示2.當(dāng)uGS

為UGS（Off)~0中一固定值時,uDS對漏極電流iD的影響。uDS=0，iD=0GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuDS>0，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)

uGD

＝uGS

－uDS

→uDS↑

→

uGD↓

→靠近漏極一邊的導(dǎo)電溝道變窄。d-s呈現(xiàn)電阻特性。GDSNP+P+VGGuDS↑→

uGD=UGS(off)，

溝道預(yù)夾斷uDS↑→

uGD<uGS(off)，夾斷，iD幾乎不變(1)

改變uGS，改變了PN結(jié)中電場，控制了iD

，故稱場效應(yīng)管；(2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG(c)GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(d)小結(jié)(1)在uGD

＝uGS

－uDS>uGS(off)情況下,即當(dāng)uDS<uGS-uGS(off)

對應(yīng)于不同的uGS

，d-s間等效成不同阻值的電阻。(2)當(dāng)uDS使uGD

＝uGS(off)時，d-s之間預(yù)夾斷(3)當(dāng)uDS使uGD<uGS(off)時，iD幾乎僅僅決定于uGS

，而與uDS

無關(guān)。此時，可以把iD近似看成uGS控制的電流源。二、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)O

uGSiDIDSSUGS(off)圖轉(zhuǎn)移特性uGS=0，iD最大；uGS

愈負，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD≈0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流

IDSS(UGS=0時的ID)夾斷電壓UGS(off)

(ID=0時的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS特性曲線測試電路mAIDSS/V預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)漏極特性也有三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和夾斷區(qū)。圖1.4.5(b)漏極特性輸出特性曲線夾斷區(qū)UDSiDVDDVGGDSGV-+V-+uGS圖1.4.5(a)特性曲線測試電路+-mA擊穿區(qū)iD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6＊結(jié)型P溝道的特性曲線SGD轉(zhuǎn)移特性曲線iDUGS（Off）IDSSOuGS輸出特性曲線iDUGS=0V2+uDS4+8+o柵源加正偏電壓，(PN結(jié)反偏)漏源加反偏電壓。

結(jié)型場效應(yīng)管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。一、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB1.工作原理

絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS

來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD

柵極金屬層將聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠近SiO2

一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)

當(dāng)UGS增大時，耗盡層變寬，同時將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏源之間的導(dǎo)電溝道。使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。UGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。---N型溝道DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖1.4.9

UDS

對導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UGS(th)(b)

UGD=UGS(th)(c)

UGD<UGS(th)在UDS>UGS–UGS(th)時，對應(yīng)于不同的uGS就有一個確定的iD

。此時，可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。3.特性曲線與電流方程(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性UGS<UGS(th)，iD=0；

UGS

≥

UGS(th)

，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)

時)三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO圖1.4.10(a)圖1.4.10(b)iD/mAuDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)

可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。UGS增加二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應(yīng)”負電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，iD

減??；

UGS=

UGS(off)

,感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD

0。UGS(off)稱為夾斷電壓圖1.4.11三、P溝道MOS管1.P溝道增強型MOS管的開啟電壓UGS(th)<0當(dāng)UGS<UGS(th)

，漏-源之間應(yīng)加負電源電壓管子才導(dǎo)通,空穴導(dǎo)電。2.P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓UGS(off)＞0UGS

可在正、負值的一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對iD的控制，漏-源之間應(yīng)加負電源電壓。SGDBP溝道SGDBP溝道注意事項（1）MOS管柵、源極之間的電阻很高,使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放,因極間電容很小,故會造成電壓過高使絕緣層擊穿。（2）有些場效應(yīng)晶體管將襯底引出,故有4個管腳,這種管子漏極與源極可互換使用。（3）使用場效應(yīng)管時各極必須加正確的工作電壓。（4）在使用場效應(yīng)管時,要注意漏源電壓、漏源電流及耗散功率等,不要超過規(guī)定的最大允許值。

不同類型FET轉(zhuǎn)移特性比較3.特性總結(jié)結(jié)型N溝道uGS/ViD/mAO增強型耗盡型MOS管(耗盡型)IDSS開啟電壓UGS(th)夾斷電壓UGS(off)IDO

是uGS=2UGS(th)時的iD值練習(xí)判斷圖中各曲線屬于哪種場效應(yīng)管？N溝道耗盡型MOS管N溝道增強型型MOS管N溝道結(jié)型場效應(yīng)管1.4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UP或UGS(off)3.開啟電壓UT

或UGS(th)4.直流輸入電阻RGS為耗盡型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為增強型場效應(yīng)管的一個重要參數(shù)。為耗盡型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管）的一個重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓uGS

對漏極電流iD

的控制作用。單位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西門子(mS)

這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括Cgs、Cgd、Cds。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。三、極限參數(shù)3.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS4.柵源擊穿電壓U(BR)GS

由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。

場效應(yīng)管工作時，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGS>U(BR)GS

，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。1.最大漏極電流IDM例2電路如圖1.4.14所示，其中管子T的輸出特性曲線如圖1.4.15所示。試分析ui為0V、8V和10V三種情況下uo分別為多少伏？

圖1.4.14圖1.4.15分析：N溝道增強型MOS管，開啟電壓UGS(th)

＝4V解(1)ui為0V，即uGS＝ui＝0，管子處于夾斷狀態(tài)

所以u0＝VDD

＝15V(2)uGS＝ui＝8V時，從輸出特性曲線可知，管子工作在恒流區(qū)，iD＝1mA，u0＝uDS

＝VDD-iD

RD

＝10V(3)uGS＝ui＝10V時，若工作在恒流區(qū)，i