场效应晶体管正式.ppt

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1、场效应管与双极型晶体管不同，它是多子场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:第第8章章 场效应晶体管场效应晶体管1结型场效应三极管绝缘栅场效应三极管的工作原理场效应三极管的参数和型号双极型和场效应型三极管的比较场效应半导体三极管场效应半导体三极管2 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场

2、效应三极管的结构来划分，它有两大类。1.结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister)2.绝缘栅型场效应三极管IGFET (Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）38.1 8.1 结型场效应三极管结型场效应三极管(1)(1)结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构 JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如图01所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结

3、，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极栅极，N型硅的一端是漏极漏极，另一端是源极源极。图01 结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构4N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极结构结构导电沟道导电沟道5NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS6PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS7(2)(2)结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应

4、三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。8工作原理（以工作原理（以P沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。9PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。10PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一

5、定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即间被夹断，这时，即使使UDS 0V，漏极电漏极电流流ID=0A。ID11PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP时时耗尽区的形状耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID12PGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID13GSDUDSUGSUGSVp UGD=VP时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被

6、夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。ID14GSDUDSUGSUGS0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32UGS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。PNNGSDUDSUGS33PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟

7、道变窄。道变窄。34PNNGSDUDSUGS夹断后，即夹断后，即使使UDS 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。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，称为予夹断。称为予夹断。35工作原理 1栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以

8、不可能以形成漏极电流ID。36 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图5。进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。3

9、7 图图5 VGS对漏极电流的控制特性对漏极电流的控制特性 转移特性曲线转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS)ID=f(VGS)VDS=const38 2 2漏源电压漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图06所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当VDS为

10、0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图06(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。图06(a)漏源电压VDS对沟道的影响39 当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图06(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图06(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图06(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。当VGSVGS(th)，且固定为某

11、一值时，VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图7所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。40图7 漏极输出特性曲线ID=f(VDS)VGS=const418.3 8.3 场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号(1)(1)场效应三极管的参数场效应三极管的参数 开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。42

12、输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。43(2)场效应三极管的型号 场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如

13、,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。44半导体三极管图片半导体三极管图片458.4 8.4 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 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)46 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成47