場效應管原理與特性介紹解析

場效應管原理與特性介紹解析1、晶體管與場效應管區(qū)別丹、雙極型晶體管BJT(BipolarJunctionTransistor)b、 J型場效應管JunctiongateFET(FieldEffectTransistor)c、 金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET(MetalOxideSemi-ConductorFieldEffectTransistor)英文全稱1、 晶體管晶體管，也叫三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，本名是半導體三極管，是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)在電路中用“V”或“VT”(舊文字符號為“Q”、“GB”等)表示。是一種控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關。晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。2、 場效應管場效應管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用晶體管。場效應管是利用多數(shù)載流子導電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是既有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導電，被稱之為雙極型器件。有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比晶體管好。場效應管能在很小電流和很彳氐電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應用。3、 場效應管分類：場效應晶體管(FieldEffectTransistor縮寫(FET))簡稱場效應管。由多數(shù)載流子參與導電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高（10人7~10人12Q）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。t■;絕緣柵場效應管［增強型&霞面分類J 〔藉盡型董囂〔結(jié)型場效應管§燃二中國二氣停店絕緣柵型場效應管既有耗盡型的，也有增強型的。兩者都有N溝道P溝道。場效應管分為：結(jié)型場效應管（JFET）和絕緣柵場效應管（MOS管）兩大類。結(jié)型場效應管：均為耗盡型，2、MOS管（MOS就是絕緣柵型）1、MOS管參數(shù)開啟電壓VT?開啟電壓（又稱閾值電壓）：使得源極S和漏極D之間開始形成導電溝道所需的柵極電壓；?標準的N溝道MOS管，VT約為3?6V;?通過工藝上的改進，可以使MOS管的VT值降到2?3V。直流輸入電阻RGS?即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比?這一特性有時以流過柵極的柵流表示?MOS管的RGS可以很容易地超過1010Q。漏源擊穿電壓BVDS?在VGS=0（增強型）的條件下，在增加漏源電壓過程中使ID開始劇增時的VDS稱為漏源擊穿電壓BVDS?ID劇增的原因有下列兩個方面：（1）漏極附近耗盡層的雪崩擊穿（2）漏源極間的穿通擊穿?有些MOS管中，其溝道長度較短，不斷增加VDS會使漏區(qū)的耗盡層一直擴展到源區(qū)，使溝道長度為零，即產(chǎn)生漏源間的穿通，穿通后，源區(qū)中的多數(shù)載流子，將直接受耗盡層電場的吸引，到達漏區(qū)，產(chǎn)生大的ID柵源擊穿電壓BVGS?在增加柵源電壓過程中，使柵極電流IG由零開始劇增時的VGS,稱為柵源擊穿電壓BVGS。低頻E夸導gm?在VDS為某一固定數(shù)值的條件下，漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓微變量之比稱為跨導?gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力?是表征MOS管放大能力的一個重要參數(shù)?—般在十分之幾至幾mA/V的范圍內(nèi)導通電阻RON.導通電阻RON說明了VDS對ID的影響，是漏極特性某一點切線的斜率的倒數(shù)?在飽和區(qū)，ID幾乎不隨VDS改變，RON的數(shù)值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間?由于在數(shù)字電路中，MOS管導通時經(jīng)常工作在VDS=0的狀態(tài)下，所以這時的導通電阻RON可用原點的RON來近似?對一般的MOS管而言，RON的數(shù)值在幾百歐以內(nèi)極間電容?三個電極之間都存在著極間電容：柵源電容CGS、柵漏電容CGD和漏源電容CDS?CGS和CGD約為1?3pF?CD，約在0.1?1pF之間低頻噪聲系數(shù)NF?噪聲是由管子內(nèi)部載流子運動的不規(guī)則性所引起的?由于它的存在，就使一個放大器即便在沒有信號輸人時，在輸出端也出現(xiàn)不規(guī)則的電壓或電流變化?噪聲性能的大小通常用噪聲系數(shù)NF來表示，它的單位為分貝（dB）?這個數(shù)值越小，代表管子所產(chǎn)生的噪聲越小?低頻噪聲系數(shù)是在低頻范圍內(nèi)測出的噪聲系數(shù)場效應管的噪聲系數(shù)約為幾個分貝，它比雙極性三極管的要小2、MOS管特性我們常用的是NMOS，因為其導通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。GG導通特性（NMOS/PMOS）NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。MOS開關管損失不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越高，損失也越大。導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失.MOS管驅(qū)動跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的夕卜接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。3、MOS/CMOS集成電路MOS集成電路特點：制造工藝比較簡單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡單，集成度高、抗干擾能力強，特別適合于大規(guī)模集成電路。MOS集成電路包括：NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同，只是電源極性相反而已。數(shù)字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為增強型管子，負載常用MOS管作為有源負載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積，而且簡化了

工藝利于大規(guī)模集成。常用的符號如圖1所示。圖1M爵管的符號⑴耶OS管 (b)PWS管3、MOS管原理構(gòu)造(絕緣柵場效應管)1.增強型絕緣柵場效應管N溝道增強型管的結(jié)構(gòu)在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。鋁T(3)W鋁T(3)W海道增強型HOS皆結(jié)榆示意圖(b)N溝道增強型MOSCe)P尚逆增強型管代表符號 計皿管代袤符號一J析鼠引攪二拍忙適、(1)N溝道增讖型管的結(jié)構(gòu)挪極和其它電極及硅片之間北絕緣的，禰絕緣柵型場效應管.P實硅襯底源極S棚極G漏板P實硅襯底源極S棚極G漏板DN溝道增強型管的工作原理由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背s_D當W14s_D當W14壓嘰為=。時，管混極和源極之M所加電壓的極性如何,其中總<T個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很商.漏梭電流近似為零缶當UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸弓倒達表層，填補空穴形成負離子的耗盡層;將出現(xiàn)N型導電構(gòu)道，將連接起來*J愈高，導填補空穴形成負離子的耗盡層;將出現(xiàn)N型導電構(gòu)道，將連接起來*J愈高，導電淘道愈竟,在礎電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流h管子導通』當UGS>UGS(th)后，場效應管才形成導電溝道，開始導通，若漏-源之間加上一定的電壓UDS,則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的1 "1N型字電泊遒UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關。所以，場效應管是一種電壓控制電流的器件。Q型導電溝道］在一定的漏-源電壓UDS下，使管子由不導通變?yōu)閷ǖ呐R界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th)。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。vDS對iD的影響如圖(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD二vGS-vDS，因而這里溝道最薄。但當vDS較小(vDS<vgs-vt)時，它對溝道的影響不大，這時只要vgs—定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以id隨vds近似呈線性變化。<bdsfid二"165"p=""></vgs-vt)時，它對溝道的影響不大，這時只要vgs一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以id隨vds近似呈線性變化<>隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。特性曲線(4)P溝道增強型增甑型場效庇曾只堵當時對形淑&魁淘道“SI增甑型場效庇曾只堵當時對形淑&魁淘道“SI「第電壓才形成PWH電構(gòu)遷2.耗盡型絕緣柵場效應管?如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應管。(1)N溝道耗盡型管%。:緒琨隊小結(jié)構(gòu)！W搏心II"陶廣,T T II-由于耗盡型場效應管預埋了導電溝道，所以在UGS=0時，若漏-源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流ID產(chǎn)生。這時的漏極電流用IDSS表示，稱為飽和漏極電流。當UGS>0時，使導電溝道變寬，ID增大；當UGS<0時，使導電溝道變窄，ID減??；UGS負值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。當UGS達到一定負值時，N型導電溝道消失，ID=0，稱為場效應管處于夾斷狀態(tài)(即截止)。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示。原因：制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。電流方程：在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應管的電流方程相同(2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的MOS管UGS=0時就有導電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。(3)P溝道耗盡型管

域強型眼型GD-71S s域強型眼型GD-71S sN海道 P溝迪G*S之閭加一定s sN洵誼 P海道左制造時就具有電出才形成導電溝逆原暗導電溝道（PMOS）管也存在，是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE（襯墊）正向偏置，電子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的閾值電壓是負值。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負的，所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能說，“PMOSVt從0.6V上升到0.7V”，實際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。金屬氧化物半導體場效^（MOS）晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類，P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個？+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導，柵極上加有足夠的正電壓（源極接地）時，柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層，成為連接源極和漏極的溝道。改變柵壓可以改變溝道中的電子密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。如果N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。P溝道MOS晶體管的空穴遷移率彳氐因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見N溝道金屬一氧化物一半導體集成電路)出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡單，價格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。場效應管的主要參數(shù)⑴開啟電壓UGS(th):是增強型MOS管的參數(shù)⑵夾斷電壓UGS(off):⑶飽和漏電流IDSS：是結(jié)型和耗盡型MOS管的參數(shù)(4)低頻跨導gm:表示柵源電壓對漏極電流的控制能力極限參數(shù)：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。5場效應管與晶體管的比較雙極型三極管單極型場紫撇管裁流子電子和農(nóng)穴兩群藏 電子或空穴中一種流子同時參W電 校流予參與導也控制方式旭流控制招莊控制類?1N溝道用IP溝道腋大參數(shù)Em=1?5mA/V期入電阻iw~i?！痑較低心~1驢口較高輸出電阻—?很高匚二m很高 S 劇造「藝較翅雜筒單*成本低E—CG—S--D2.11.3場效應管放大電路

場效應晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。場效應管的源極