第5讲 场效应管.ppt

第五讲第五讲 场效应管场效应管第五讲第五讲 场效应管场效应管一、结型场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、主要参数三、主要参数四、场效应管与晶体管的比较四、场效应管与晶体管的比较五、举例说明场场效效应应管管：是是利利用用输输入入回回路路的的电电场场效效应应来来控控制制输输出出回回路电流的一种半导体器件。路电流的一种半导体器件。场场效效应应管管优优点点：体体积积小小，重重量量轻轻，寿寿命命长长等等、且且输输回回路路的的内内阻阻高高，噪噪声声低低、热热稳稳定定性性好好，抗抗幅幅射射能能力力强强且且比后着耗电省，比后着耗电省，场效应管分为：结型和绝缘型两种不同的结构，场效应管分为：结型和绝缘型两种不同的结构，一、结型场效应管（以一、结型场效应管（以N N沟道为例）沟道为例）场效应管均有三个极：源极（场效应管均有三个极：源极（s）、栅极（栅极（g）、）、漏极（漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.1.结型场效应管结构示意图结型场效应管结构示意图导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号2.2.栅栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？必须加负电压？控制耗尽层的宽度控制耗尽层的宽度。沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断UGS（off）为为使使N N沟沟道道结结型型场场效效应应管管正正常常工工作作，应应在在其其删删-源源之之间间加加负负向向电电压压 即即(u ugsgs0),0),以以保保证证耗耗尽尽层层承承受受反反向向电电压压；在在漏漏-源源之之间间加加正正向向电电压压u udsds,以以形形成成漏漏极极电电流流i id d。U Ugsgs0UGS（off）uGDUGS（off）当当u ugsgs为为u ugs(off)gs(off)00中的某一确定值时中的某一确定值时，u uDSDS对漏极电流对漏极电流I Id d影响影响4.4.当当u uGDGD u ugsgsu ugsgs（offoff）的的情情况况下下，当当u udsds为为一一常常量量时时，对对应应于于确确定定的的u ugsgs，就就有有确确定定的的 i id d。此此时时，可可以以通通过过改改变变u ugsgs来来控控制制i id d的的大大小小。由由于于漏漏极极电电流流受受栅栅源源电电压压的的控控制制，故故称称场场效效应应管管为为电电压压控控制制元元件件。与与晶晶体体管管用用(=(=i ic c/i ib b)来来描描述述动动态态情情况况下下基基极极电电流流对对集集电电极极电电流流的的控控制制作作用用类类似似，场场效效应应管管可可以以用用g gm m来来描描述述动动态态的的栅栅源源电电压压对电流的控制作用，对电流的控制作用，g gm m称为低频跨导：称为低频跨导：g gm m=i iD D/u uGSGS。由以上分析可知：由以上分析可知：（1 1）在）在u uGDGD=u uGSGSu uDSDSUUGSGS（offoff）的情况下，的情况下，即即当当u udsds u ugsgsu ugsgs（0ff0ff）（即即当当g gd d间间未未出出现现夹夹断断）时时，对对应于不同的应于不同的u ugsgs，d ds s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。（2 2）当）当u udsds使使u ugdgdu ugsgs（offoff）时，时，d ds s之间预夹断。之间预夹断。（3 3）当当u udsds使使u ugdgdu ugsgs（offoff）时时，i id d几几乎乎仅仅决决定定于于u ugsgs，而而与与u udsds无关。此时可以把无关。此时可以把i id d近似看成近似看成u ugsgs控制的电流源。控制的电流源。g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻5.5.输出特性输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：（1）可可变变电电阻阻区区（也也称称非非饱饱和和区区）：图图中中的的虚虚线线为为预预夹夹断断轨轨迹迹，它它是是各各条条曲曲线线上上使使udsugsugs（off）【即即ugdugs（0ff）】的的点点连连线线而而成成的的，ugs愈愈大大，预预夹夹断断时时的的uds值值愈愈大大。预预夹夹断断轨轨迹迹左左边边的的区区域域称称为为可可变变电电阻阻区区，该该区区域域中中曲曲线线近近似似为为不不同同斜斜率率的的直直线线。当当ugs确确定定时时，直直线线的的斜斜率率也也唯唯一一确确定定，直直线线斜斜率率的的倒倒数数为为ds间间等等效效电电阻阻的的阻阻值值，故故称之为可变电阻区。称之为可变电阻区。（2）恒恒流流区区（也也称称饱饱和和区区）：图图中中预预夹夹断断轨轨迹迹右右边边的的区区域域为为恒恒流流区区。当当udsugsugs（off）（即即ugd ugs（off）时时，各各曲曲线线近近似似为为一一组组横横轴轴的的平平行行线线。当当uds增增大大时时，id仅仅略略增增大大。因因而而可可将将iD近近似似为为电电压压ugs控控制制的的电电流流源源，故故称称该该区区域域为恒流区。为恒流区。（3）夹夹断断区区:当当ugs UGS(th)，UDS0 iD随随uDS的的增增大而增大，可大而增大，可变电阻区变电阻区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻3.3.耗尽型耗尽型MOSMOS管管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道 U UGSGS=0=0时，存在导电沟道。时，存在导电沟道。在制造MOS管时，在SiOSiO2 2绝缘绝缘层中掺入了大量的正离子，正离子已经在感应出反型层，存层中掺入了大量的正离子，正离子已经在感应出反型层，存在原始导电沟道。在原始导电沟道。4.MOS4.MOS管的特性管的特性1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压IDSS5.5.场效应管的分类场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？三、主要参数1.1.开启电压开启电压U UGS(thGS(th)(或或U UT T)：是增强型是增强型MOSMOS管参数，管参数，U UGSGSU UGS(thGS(th)开始出现漏极电流。开始出现漏极电流。2.2.夹断电压夹断电压U UGS(off)GS(off)(或或U UP P)：结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOSMOS的参数，的参数，当当U UGSGS=U=UGS(off)GS(off)时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3.3.饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS：结型和耗尽型场效应管结型和耗尽型场效应管,当当U UGSGS=0=0时所对时所对应的漏极电流。应的漏极电流。4.4.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。管子正常工作时漏极电流的上限值。5.5.输入电阻输入电阻R RGSGS：栅源电压与栅源电流之比，结型场效应管的栅源电压与栅源电流之比，结型场效应管的R RGSGS大于大于10107 7，绝缘栅型场效应管的绝缘栅型场效应管的R RGSGS大于大于10109 9。四、场效应管与晶体管的比较输入电阻高输入电阻高,不索取电流不索取电流只有多子参与导电只有多子参与导电噪声系数小噪声系数小漏源极可以互换漏源极可以互换种类比晶体管多种类比晶体管多,集成工艺简单集成工艺简单,耗电省耗电省,工作电源电压范围宽工作电源电压范围宽五、举例说明测得某放大电路中三个测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位如表管的三个电极的电位如表1所示，它所示，它们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态们的开启电压也在表中。试分析各管的工作状态(夹断区、恒流夹断区、恒流区、可变电阻区），并填入表内区、可变电阻区），并填入表内。1.判断管型判断管型:给出开启电压：增强型给出夹断电压：耗尽型2.判断工作状态判断工作状态增强型：增强型：以N沟道为例，P沟道与之相反 夹断区：UGS开启电压,且UDS开启电压,且UDS预夹断电压开启电压0,N沟道增强型开启电压0,N沟道耗尽型夹断电压0，N沟道增强型 UGS=UG-US=1+5=+6 UGS UGS(th),已开启 UDS=UD-US=3-1=2 预夹断电压=UGS-UGS(th)=+6-4=+2 UDS=3预夹断电压的2v T1工作在恒流区。已知T2：UGS(th)=-4；US=3；UG=3；UD=10 UGS(th)=-40，P沟道增强型 UGS=UG-US=3-3=0 UGS=0开启电压-4v；或 UGS=0开启电压-4v T2工作在夹断区。已知T3：UGS(th)=-4；US=6；UG=0；UD=5 UGS(th)=-40，P沟道增强型 UGS=UG-US=0-6=-6 UGS预夹断电压(P沟道)-2V 或N沟道UDS 预夹断电压 T3工作在可变电阻区。1.5单结晶体管和晶闸管单结晶体管晶闸管