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第三章第三章 场效应晶体管及其电路分析场效应晶体管及其电路分析1.3.1 1.3.1 场效应晶体管的结构特性与参数场效应晶体管的结构特性与参数1.3.2 1.3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路电子技术电子技术1电子器件与电电子器件与电子电路部分子电路部分2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋高校的赤崎勇，天野浩以及美国加州高校圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们在独创一种新型高效节能光源方面的贡献，即蓝色发光二极管(LED)。1992年，赤崎勇，天野浩最终制成第一个发蓝光的二极管。BJT是是一一种种电电流流限限制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流流子子和和少少数数载载流流子子都都参参与与运运行行，所所以以被被称称为为双双极极型器件。型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压限限制制器器件件(uGS iD)，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子参与导电，因此它是单极型器件。子参与导电，因此它是单极型器件。FET因因其其制制造造工工艺艺简简洁洁，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。入电阻极高等优点，得到了广泛应用。1.3.1 1.3.1 场效应晶体管的结构特性与参数场效应晶体管的结构特性与参数一.绝缘栅场效应三极管(IGFET)绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称，简称MOSFET。分为：。分为：增加型增加型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.N沟道增加型沟道增加型MOS管管（1）结构）结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号：二者工作原理差别二者工作原理差别:VGS=0时，是否存在导电沟道。时，是否存在导电沟道。绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管:(一一)结构和电路符号结构和电路符号PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SemiconductorSiO2绝缘层绝缘层Oxide导电沟道导电沟道金属铝金属铝MentalGSDN沟道增加型沟道增加型N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电预埋了导电沟道沟道 GSDNPPGSDGSDP 沟道增加型沟道增加型P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导预埋了导电沟道电沟道 (二二)MOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增加型为例沟道增加型为例PNNGSDUDSUGSUGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区PNNGSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感）感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGSPNNGSDUDSUGS当当UDS不太不太大时，导电大时，导电沟道在两个沟道在两个N区间是匀整区间是匀整的。的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。PNNGSDUDSUGS夹断后，即使夹断后，即使UDS 继续增加，继续增加，ID仍呈恒流特仍呈恒流特性性。IDUDS增加，增加，UGD=VT 时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为预夹断。称为预夹断。当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，假如此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的限制作用的限制作用(二二)MOS管的工作原理管的工作原理(版本版本2)定义：定义：开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。N沟道增加型MOS管的基本特性：uGS UT，管子截止，uGS UT，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。漏源电压漏源电压uDS对漏极对漏极电流电流id的限制作用的限制作用 当当uGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电，且固定为某一值时，来分析漏源电压压VDS对漏极电流对漏极电流ID的影响。的影响。（设（设UT=2V，uGS=4V）（a）uds=0时，时，id=0。（b）uds id；同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长，uds增加的部分基本着增加的部分基本着陆在随之加长的夹断沟道上，陆在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。基本不变。（三）伏安特性与电流方程（三）伏安特性与电流方程 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区 转移特性曲线转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 可依据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的限制作的大小反映了栅源电压对漏极电流的限制作用。用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。（四）四）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：定义：夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消逝所需的栅源电压沟道刚刚消逝所需的栅源电压uGS。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42uu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2VUPGSuUP（五）（五）P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这犹如双极型三极管有NPN型和PNP型一样。（六）四种（六）四种MOS管的比较管的比较 3.N3.N沟道器件，沟道器件，V VGSGS向正值方向增大，向正值方向增大，I ID D 越大；越大；P P沟道器件，沟道器件，V VGSGS越向负值方向增大，越向负值方向增大，I ID D越大。越大。1.1.对于对于P P沟道器件，沟道器件，VDSVDS必为负值，衬底必需必为负值，衬底必需接在电路中的最高电位上。对于接在电路中的最高电位上。对于N N沟道器件，沟道器件，VDSVDS必为正值，衬底必需接在电路中的最低电必为正值，衬底必需接在电路中的最低电位上。位上。2.2.就就VGSVGS而言，增加型器件是单极性的，其中而言，增加型器件是单极性的，其中P P沟道为负值，沟道为负值，N N沟道为正值，而耗尽型器件则可沟道为正值，而耗尽型器件则可正可负。正可负。二二.结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)（一）（一）结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟道为例）：沟道为例）：两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟道。三个电极：三个电极：g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极符号：符号：N沟道沟道P沟道沟道（二）结型场效应管的工作原理（二）结型场效应管的工作原理 1、栅源电压对沟道的限制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS，令，令uDS=0 当当uGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电结，导电沟道最宽。沟道最宽。当当uGS时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。当当uGS到确定值时到确定值时，沟道会，沟道会完全合拢。完全合拢。定义：定义：夹断电压夹断电压UP使导电沟道完全使导电沟道完全合拢（消逝）所须要的栅源电压合拢（消逝）所须要的栅源电压uGS。2 2、漏源电压对沟道的限制作用、漏源电压对沟道的限制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS，令，令uGS=0 由于由于uGS=0，所以导电沟道最宽。，所以导电沟道最宽。当当uDS=0时，时，iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。沟道变窄，呈楔形分布。当当uDS，使，使uGD=uG S-uDS=UP时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前，uDSiD。预夹断后，预夹断后，iDSiD 几乎不变。几乎不变。uDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。3 3、栅源电压、栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同共同作用作用 iD=f（uGS、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。可用输两组特性曲线来描绘。1、输出特性曲线：、输出特性曲线：iD=f（uDS）uGS=常数常数（三）（三）结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线uGS=0VuGS=-1V设：设：UT=-3V四个区：四个区：恒流区的特点：恒流区的特点：iD/uGS=gm 常数常数 即：即：iD=gm uGS （放大原理）（放大原理）（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区2、转移特性曲线：、转移特性曲线：iD=f（uGS）uDS=常数常数 可依据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：三三.场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1)开启电压开启电压UTUT UT UT 是是MOSMOS增加型管的参数，栅源电压小于开启电压的确定值增加型管的参数，栅源电压小于开启电压的确定值,场效应场效应管不能导通。管不能导通。（2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET,当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。（4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管,RGS可达可达1091015。（5）低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的限制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的限制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6）最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM=UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较不同类型不同类型FET对电压的极性要求对电压的极性要求增强型耗尽型种类电压NMOSPMOSN结型P结型NMOSPMOSvGS正负负正负(或正)正(或负)vDS正负正负正负一一.直流偏置电路直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信号不保证管子工作在饱和区，输出信号不失真失真 1.3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路1.自给栅自给栅偏压电路偏压电路UGS=-IDR 留意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于须要负栅源电压的电路。留意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于须要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：UGS、ID、UDS已知已知UP，由，由UGS=-IDR可解出可解出Q点的点的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：ID 2.分压式自分压式自偏压电路偏压电路可解出可解出Q点的点的UGS、ID 计算计算Q点：点：已知已知UP，由，由该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于全部的场可负，所以适用于全部的场效应管电路。效应管电路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：N沟道沟道P沟道沟道增加型增加型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)小结：分类小结：分类表表 各种场效应管的符号和特性曲线各种场效应管的符号和特性曲线 类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP i uDSOuG S0 V1 VD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S0 V1 ViD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S5 ViD3 VuG S UT2 V4 VuGSiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP沟道JFETN沟道增强型N MOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuG S0 ViD2 VuG S UP4 V2 ViD5 VuG S UT3 VO uDS4 VuG S 6 V iD2 VuG S UP4 VO uDS2 VuG S 0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗尽型N MOS增强型P MOS耗尽型P MOS表表续表续表
