模拟电子技术基础第1章常用半导体器件14场效应管.ppt

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1、1.4.1结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理1.4.2绝缘栅场效应管的结构和工作原理绝缘栅场效应管的结构和工作原理1.4场效应管场效应管4/13/2023作业1-141-151-164/13/2023场效应管出现的历史背景场效应管出现的历史背景场效应管的用途场效应管的用途场效应管的学习方法场效应管的学习方法场效应管的分类第一节 场效应管概述场效应管概述4/13/2023场效应管出现的历史背景场效应管出现的历史背景1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的

2、放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三场效应管的工作原理与双极型三极管不同。极管不同。4/13/2023场效应管的用途场效应管的用途场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：v一是当作电压控制器件用来组成放大电路；一是当作电

3、压控制器件用来组成放大电路；v二是在数字电路中用做开关元件。二是在数字电路中用做开关元件。v三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。二是在数字电路中用做开关元件。4/13/2023场效应管的学习方法场效应管的学习方法学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别

4、与双极型场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但但作用基本相同。作用基本相同。场效应管还可以当作非线性电阻来使用场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双而双极型三极管不能。极型三极管不能。4/13/2023N沟道沟道P沟道沟道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沟道沟道场效应管场效应管FET结型结型JFETIGFET(MOSFET)绝缘栅型绝缘栅型场效应管的分类4/13/2023一、结型场效应管的结构一、结型场效应管的结构二、结型场效

5、应管的工作原理二、结型场效应管的工作原理三、结型场效应管的特性曲线三、结型场效应管的特性曲线及参数及参数第二节 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)的的结构和工作原理结构和工作原理4/13/2023一、结型一、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构P+P+NGSD导电沟道导电沟道N+N+PGSDN沟道沟道JFETJFETP沟道沟道JFETJFET栅极栅极漏极漏极源极源极4/13/2023二、结型二、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理参考方向做如下约定参考方向做如下约定:4/13/2023（1）电压源）电压源UGS和电压源和电压源UDS都不

6、起作用，电压值均为都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源）只有电压源UGS起作用，电压源起作用，电压源UDS的电压值为的电压值为0；（3）只有电压源）只有电压源UDS起作用，电压源起作用，电压源UGS的电压值为的电压值为0；（4）电压源）电压源UGS和电压源和电压源UDS同时起作用。同时起作用。在在给给出出各各种种情情况况下下的的结结型型场场效效应应管管的的工工作作状状态态时时，同时画出对应的输出特性曲线。同时画出对应的输出特性曲线。特别注意特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同

7、样式不同的约定方法得到不同样式的特性曲线的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。考方向的。按照如下的思路来讲解：按照如下的思路来讲解：4/13/2023（1）UDS=0伏、伏、UGS=0伏时伏时JFET的工作状态的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽最宽这时导电沟道的电阻记为这时导电沟道的电阻记为R1。4/13/2023（2）在在UDS=0伏的前提下：伏的前提下：UGS从从0伏逐渐增加过程中，伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态的工作状态（2.1）UDS=0伏：伏：UGS逐渐增加逐渐增加UGS=-1伏伏此

8、此时时导导电电沟沟道道从从漏漏极极到到源极平行等宽源极平行等宽这这时时的的导导电电沟沟道道的的电电阻阻用用R2表示。表示。R2要大于要大于R1UGS给给PN结结施施加加的的是是一个反偏电压一个反偏电压4/13/2023（2.2)UDS=0伏伏:UGS逐渐增加至逐渐增加至UGS=Up（夹断电（夹断电压）压）当当UGS逐逐渐渐增增加加至至UGS=Up时时（不不妨妨取取Up=-3伏伏），由由UGS产产生生的的PN结结左左右右相相接接，使使导导电电沟沟道道完完全全被被夹夹断断。这这时时的的结结型型场场效效应应管管处处于于截截止状态。止状态。Up是是结结型型场场效效应应管管的的一一个个参参数数，称称为夹

9、断电压。为夹断电压。4/13/2023（2.3）UDS=0伏伏:UGS继继续续增增加加，结结型型场场效效应应管管进进入击穿状态入击穿状态UGS增增加加使使PN结结上上的的反反偏偏电电压压超超过过U（BR）DS时时，结型场效应管将进入击穿状态。结型场效应管将进入击穿状态。4/13/2023（3 3）在在UGS=0伏伏的的前前提提下下，分分别别讨讨论论UDS由由小小变变大大的的过程中过程中JFET的几种工作状态的几种工作状态（3.1）UGS=0伏伏:UDS的值比较小时的值比较小时UDS给给PN结结施施加加的的是是一一个个反偏电压反偏电压4/13/2023导导电电沟沟道道不不再再是是上上下下平平行行

10、等等宽宽，而而是是上上窄窄下下宽宽。当当UDS比较小时比较小时，导电沟道不会被夹断。，导电沟道不会被夹断。在在导导电电沟沟道道没没有有被被夹夹断断之之前前，可可以以近近似似地地认认为为导导电电沟沟道道的的电电阻阻均均为为R1，此此时时导导电电沟沟道道可可以以认认为是一个线性电阻。为是一个线性电阻。4/13/2023（3.2)UGS=0伏、伏、UDS的值增加至的值增加至Up时时PN结结在在靠靠近近漏漏极极的的一一点点最最先先相相接接，导导电电沟沟道道被被预预夹夹断断。对对应应输输出出特特性性曲曲线线中中的的A点点。此此时时沟沟道道中中的的电电流流为为可可能能的的最最大大的的电电流流，称为饱和漏极

11、电流，记作称为饱和漏极电流，记作IDSS。4/13/2023（3.3)UGS=0伏、伏、UDS继续增加继续增加4/13/2023当当电电压压源源UDS增增加加时时，可可以以近近似似认认为为漏漏极极电电流流不不随随UDS的的增增加加而而增增加加。此此时时的的电电流流仍仍然然是是IDSS，JFET管管的的状状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。4/13/2023（3.4)UGS=0伏、伏、UDS继续增加至继续增加至U（BR）DSPN结结上上的的反反偏偏电电压压超超

12、过过某某值值时时，结结型型场场效效应应管管将将进进入入击击穿穿状状态态，如如图图中中的的B点点所所示示。此此时时的的UDS值值为为最最大大漏漏源源电电压压，记为记为U（BR）DS。4/13/2023(4)在在UGS=-1伏伏（即即UGSUp的的某某个个值值）的的前前提提下下，当当UDS由小变大时，由小变大时，JFET的状态的状态(4.1)UGS=-1伏、伏、UDS的值比较小时的值比较小时导导电电沟沟道道不不再再是是上上下下平平行行等等宽宽，而而是是上上窄窄下下宽宽。近近似似地地认认为为导导电电沟沟道道的的电电阻阻均均为为R2，导导电电沟沟道呈现线性电阻的性质。道呈现线性电阻的性质。4/13/2

13、023(4.2)UGS=-1伏、伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断的值增加至某值开始出现预夹断如如图图所所示示，当当UDS的的值值增增加加至至某某值值（此此值值比比Up小小）时时，两两边边的的PN结结在在靠靠近近漏漏极极的的某某点点最最先先相相接接，导导电电沟沟道道被被预预夹夹断断,在在此此点点有有UGS+UDS=Up。JFET的的状状态态对对应应输输出出特特性性曲曲线线中中的的M点点。M点点对对应应的的UDS值值比比A点点对对应应的的UDS值值小小，因因为为UDS=Up-UGSVT时时,沟道加厚沟道加厚开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，当在VGS VT时才形成沟道时才形成沟道,这种

14、类型的管子称为增强型这种类型的管子称为增强型MOSMOS管管4/13/2023（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源VDS的值较小导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区的一样。对应特性曲线的可变电阻区电压源电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降通使导电沟道从漏极到

15、源极有电位降4/13/2023（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0（3.2）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS=VT导电沟道在靠近漏极的一点刚导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流此时的漏极电流I ID D 基本饱和。基本饱和。vDS(V)iD(mA)4/13/2023（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDSVT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，V VDSDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，增加的部分基本降落在随

16、之加长的夹断沟道上，I ID D基本趋基本趋于不变。于不变。vDS(V)iD(mA)4/13/2023三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管iD=f(vGS)vDS=C 转移特性曲线转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当当v vGSGS变化时，变化时，R RONON将将随之变化，因此称随之变化，因此称之为之为可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区(饱和区饱和区)：v vGSGS一定时，一定时，i iD D基本不基本不随随v vDSDS变化而变化。变化而变化。vGS/V4/13/20

17、23三、三、耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管一一 N N沟道沟道耗尽耗尽型型MOSMOS场效应管结构场效应管结构二二 N N沟道沟道耗尽耗尽型型MOSMOS的工作原理的工作原理三三 N N沟道沟道耗尽耗尽型型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线4/13/2023一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构4/13/2023P沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管结构场效应管结构4/13/2023二、二、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当VGS=0时，时，VDS加正向电压，产加正向电压，产生漏极电流生漏极电流iD,此时的漏极

18、电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用漏极饱和电流，用IDSS表示。表示。当当VGS0时时,将使将使iD进一步增加。进一步增加。当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小漏的减小漏极电流逐渐减小，直至极电流逐渐减小，直至iD=0，对应，对应iD=0的的VGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号VP表示。表示。VGS(V)iD(mA)VPN N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS004/13/2023三、三、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应

19、管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线转移特性曲线4/13/2023场效应管的主要参数场效应管的主要参数2.夹断电压夹断电压VP：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时时,漏极电流漏极电流为零。为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1.开启电压开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4.直流输入电阻直流输入电阻RGS:栅源间所

20、加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅与流过栅极电流极电流IGS之比。结型之比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5.漏源击穿电压漏源击穿电压V(BR)DS:使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压4/13/20237.低频跨导低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。8.输出电阻输出电阻rds9.极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd源极与漏极间电容源极与漏极间电容4/13/2023