清华模电课件第3讲 场效应管.ppt

模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第四节第四节 场效应晶体管场效应晶体管(FET)单极型晶体管单极型晶体管 场效应管的特点：场效应管的特点：输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成化输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成化 分类：分类：结型结型(JFET)和绝缘栅型和绝缘栅型(MOS)一、结型场效应管一、结型场效应管(JFET)1 1 结构与工作原理结构与工作原理 （1 1）构成）构成 场效应管场效应管(FET)是利用电场效应来控制电流的一种半是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，属于导体器件，属于压控器件压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又。由于它仅靠多子参加导电，又称称单极型晶体管单极型晶体管。结型场效应管又有结型场效应管又有N N沟道和沟道和P P沟道沟道两种类型。两种类型。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2 2）工作原理）工作原理 NJFET的结构及符号的结构及符号 在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，引出的电极称为栅极G，N型半导体的两端引出两个电极，一个称为漏极D，一个称为源极S。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。两个两个PN结之间的结之间的N沟道沟道 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学UDS决定耗尽层的楔形程度决定耗尽层的楔形程度UGS决定沟道的宽窄度决定沟道的宽窄度UDS、UGS同时作用同时作用工作原理工作原理 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理当当 （即（即 、短路）时，短路）时，控制导电沟道的宽窄控制导电沟道的宽窄。时，对导电沟道的控制作用 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学当当 且且 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。(b)(b)当当 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。(c)(c)当当 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，此时电阻趋于无穷大，此时 值为值为夹断电压夹断电压 。(a)(a)模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学当当 固定时，固定时，决定决定耗尽层的楔形程度耗尽层的楔形程度。若若 ，电流，电流 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形楔形。（a）（b）（c）且且 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 栅漏电压栅漏电压 ，所以当，所以当 逐渐增大时，逐渐增大时，逐渐减逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。一旦一旦 的增大使的增大使 等于等于 ，则漏极一边的耗尽层就，则漏极一边的耗尽层就会出现夹断，如图会出现夹断，如图 (b)(b)所示，所示，为为预夹断预夹断。若若 继续增大，则继续增大，则 ，耗尽层闭合部分将沿沟，耗尽层闭合部分将沿沟道延伸，即夹断区加长，如图道延伸，即夹断区加长，如图 (c)(c)所示。所示。因此，当因此，当 时，时，增大增大 几乎不变，即几乎不变，即 几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于 ，表现出，表现出 的的恒流性和受控性恒流性和受控性。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（1）转移特性及特征方程转移特性及特征方程 当当UGS=0时，时，N沟道最宽，沟道最宽，ID最大，记作最大，记作IDSS，称，称最大最大饱和漏电流饱和漏电流。当当UGS0时，两个耗尽层加厚，时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降，成指数规律下降，其特征方程为其特征方程为 当当 时，时，N沟道被夹断，沟道被夹断，ID0，管子截止。，管子截止。2 2 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学NJFET的特性曲线的特性曲线（2 2）漏极特性漏极特性可变电阻区、可变电阻区、漏极特性与漏极特性与BJT管的输出特性相仿，也分为三个区管的输出特性相仿，也分为三个区 饱和区、饱和区、击穿区击穿区 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学PJFETPJFET的特性曲线的特性曲线 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学N沟道结型场效应管的结构示意图沟道结型场效应管的结构示意图(a)N(a)N沟道管沟道管 (b)P(b)P沟道管沟道管 结型场效应管的符号结型场效应管的符号 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学二、绝缘栅场效应管（二、绝缘栅场效应管（MOS管）管）JFET的缺点的缺点 MOS管的特点管的特点 绝缘栅型场效应管的栅极绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均与源极、栅极与漏极之间均采用采用SiO2绝缘层隔离，栅极为绝缘层隔离，栅极为金属铝，故又称为金属铝，故又称为MOS管管。MOS管分为四种类型：管分为四种类型：N沟道耗尽型管、沟道耗尽型管、N沟道增强型管、沟道增强型管、P沟道耗尽型管和沟道耗尽型管和P沟道增强型管沟道增强型管。输入阻抗高、栅源电压可正可负、输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易集成。耐高温、易集成。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（1）结构与符号）结构与符号 1 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管绝缘栅绝缘栅N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的结构与符号管的结构与符号 B端为衬底，与源极短接在一起。端为衬底，与源极短接在一起。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2）N沟道的形成沟道的形成N沟道的形成与外电场对沟道的形成与外电场对N沟道的影响沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：控制原理分四种情况讨论：时，来源于外电场时，来源于外电场UGS正极的正电荷使正极的正电荷使SiO2中原有中原有的正电荷数目增加，由于静电感应，的正电荷数目增加，由于静电感应，N沟道中的电子随之作同沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数规等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数规律的增加。律的增加。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2）N沟道的形成沟道的形成N沟道的形成与外电场对沟道的形成与外电场对N沟道的影响沟道的影响 时，时，N沟道已经存在，因此沟道已经存在，因此 不为零，仍记以不为零，仍记以IDSS，但不是最大值。但不是最大值。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电阻增加，从而漏电流阻增加，从而漏电流ID成指数规律减小。成指数规律减小。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 时，时，SiO2层中的正电荷全部被负电源中和，层中的正电荷全部被负电源中和，N沟道中电子全部消失，也就是说沟道中电子全部消失，也就是说N沟道不存在了，沟道电沟道不存在了，沟道电阻为无穷大，漏电流阻为无穷大，漏电流 ，管子截止，管子截止(夹断夹断)。综上所述，综上所述，MOS管与管与J型管的导电机理不同型管的导电机理不同。J型管型管利用耗尽区的宽窄度控制漏流利用耗尽区的宽窄度控制漏流 ；而；而MOS管是利用感应电管是利用感应电荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制 的目的。的目的。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（3 3）特性曲线及工作原理）特性曲线及工作原理 转移特性转移特性 (a)转移特性；(b)漏极特性漏极特性漏极特性 (d)(d)(c)(c)时时 (b)(b)时时 (a)(a)时时 MOSMOS管的漏极特性与管的漏极特性与J J型管类似型管类似。对对N N沟道也有楔形影沟道也有楔形影响。响。越大，越大，N N沟道的楔形程度越严重。沟道的楔形程度越严重。一定，楔形一定。一定，楔形一定。改变改变 大小可改变大小可改变N N沟道的宽窄度，沟道的宽窄度，从正到负，即漏极特从正到负，即漏极特性曲线由上而下，反映性曲线由上而下，反映 对对 的控制作用。的控制作用。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学*2 N沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管（1）结构与符号）结构与符号 增强型增强型的特点的特点 在在N沟道的形成上有所不同，增强型管子的沟道的形成上有所不同，增强型管子的N沟道只当外沟道只当外加电场加电场uGS0时才能存在，而当时才能存在，而当uGS=0时，时，N沟道就不存在了。沟道就不存在了。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（2 2）工作原理）工作原理N沟道增强型沟道增强型MOS管导电沟道的形成管导电沟道的形成(a)0UGSUGS(th)出现耗尽层 (b)UGSUGS(th)出现N型沟道开启电压开启电压 是指在是指在 为常量情况下，使为常量情况下，使 大于零所需要的最小大于零所需要的最小 值。值。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学（3）特性曲线）特性曲线输出特性上也分为输出特性上也分为可变电阻区、饱和区、夹断区和击穿区。可变电阻区、饱和区、夹断区和击穿区。ID与与UGS之间的关系之间的关系:ID0是是 时的时的ID值。值。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学增强型增强型NMOS管的特性曲线管的特性曲线(a)输出特性；(b)转移特性 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学*3 P沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管(PMOS管管)增强型增强型PMOS管的结构示意图管的结构示意图 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学三、场效应管的主要参数三、场效应管的主要参数1 1 直流参数直流参数击穿电压击穿电压夹断电压夹断电压开启电压开启电压饱和漏电流饱和漏电流直流输入电阻直流输入电阻 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学2 2 微变等效电路及其参数微变等效电路及其参数低频跨导低频跨导 的定义式为的定义式为 是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，与与切点的位置密切相关。切点的位置密切相关。模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学在漏极特性上确定在漏极特性上确定gm在转移特性上求在转移特性上求gm 用计算法求用计算法求gm 模拟电子技术模拟电子技术哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学四、场效应管和双极型三极管的比较四、场效应管和双极型三极管的比较 1 1 场效应管是场效应管是电压控制元件电压控制元件，而双极型三极管则是，而双极型三极管则是电流电流控制元件控制元件。2 2 场效应管是利用场效应管是利用多数载流子导电多数载流子导电(例如例如N N型硅中的自由型硅中的自由电子电子)，而双极型三极管，而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流子既利用多数载流子又利用少数载流子。3 3 场效应管的噪声系数比三极管要小场效应管的噪声系数比三极管要小。4 4 有些场效应管的源极和漏极可以互换有些场效应管的源极和漏极可以互换。5 5 场效应管能场效应管能在很小的电流、很低的电压条件下工作在很小的电流、很低的电压条件下工作。6 6 场效应管的场效应管的工作频率较低工作频率较低，不适合高频运用。，不适合高频运用。