1_场效应管.ppt

1.4场效应三极管场效应三极管场场效效应应管管：一一种种载载流流子子参参与与导导电电，利利用用输输入入回回路路的的电电场场效应来控制效应来控制输出回路电流输出回路电流的三极管，又称的三极管，又称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。N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（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)场效应管场效应管分类：分类：DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构结构图图 N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理 N 沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变 UGS 大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流 ID 减减小小，反反之之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.当当UDS=0 时时，uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导导电电沟沟比较宽比较宽UGS 由由零零逐逐渐渐减减小小，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电电沟沟相相应应变窄。变窄。当当 UGS=UGS（Off)，耗耗尽尽层层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道(b)UGS(off)UGS UGS（Off)，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off)，iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD uGS uDS GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 uGS 0,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变 uGS ，改改变变了了PN结结中中电电场场，控控制制了了iD，故故称称场场效效应应管管；(2)结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压，使使PN反反偏偏，栅栅极极基基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)3.当当uGD uGS(off),时，时，,uGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下,即当即当uDS uGS-uGS(off)对应于不同的对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS，而与而与uDS 无关。此时，无关。此时，可以把可以把iD近似看成近似看成uGS控制的电流源。控制的电流源。二、结型场效应管的特性曲线二、结型场效应管的特性曲线1.转移特性转移特性(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)O uGSiDIDSSUGS(off)图图 1.4.6转移特性转移特性uGS=0，iD 最大；最大；uGS 愈负，愈负，iD 愈小；愈小；uGS=UGS(off)，iD 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UGS(off)(ID=0 时的时的 UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.输出特性曲线输出特性曲线当当栅栅源源 之之间间的的电电压压 UGS 不不变变时时，漏漏极极电电流流 iD 与与漏漏源源之间电压之间电压 uDS 的关系，即的关系，即 结结型型场场效效应应管管转转移移特特性性曲曲线的近似公式：线的近似公式：IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。可变电阻区、恒流区和夹断区。图图 漏极特性漏极特性输出特性输出特性（漏极特性）漏极特性）曲线曲线夹断区夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图图 特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA击穿区击穿区(a)漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 (b)转移特性曲线转移特性曲线N沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线结型结型P 沟道的特性曲线沟道的特性曲线SGD转移特性曲线转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线输出特性曲线iDUGS=0V+uDS+o o栅源加正偏电压，栅源加正偏电压，(PN结反偏结反偏)漏源加反偏电压。漏源加反偏电压。1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达1010(有资料介绍可达有资料介绍可达1014）以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB箭头方向表示由箭头方向表示由P(衬底衬底)指向指向N(沟道沟道)1.工作原理工作原理 绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用 UGS 来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况，以以控制漏极电流控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的 PN 结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD(2)UDS=0，0 UGS UGS(th)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏极形成电流漏极形成电流 ID。b.UDS=UGS UGS(th)，UGD=UGS(th)靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启启程程度，出现预夹断。度，出现预夹断。由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS 逐逐渐渐增增大大时时，导导电电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。因而基本不变。a.UDS UGS(th)P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区c.UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)(b)UGD=UGS(th)(c)UGD UGS UGS(th)时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD。此时，此时，可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性UGS UGS(th)时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区(或或饱饱和和区区)、夹夹断断区。区。UT 2UTIDOuGS/ViD/mAOiD/mAuDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在 P 型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反反型层型层”。即使。即使 UGS=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS 0，产产生生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB(b)输出特性输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V43215101520N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th)0当当UGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情情况况类似，属于破坏性击穿。类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流IDM例例1.4.1 已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、沟道、P沟沟道、增强型、耗尽型）。道、增强型、耗尽型）。分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th)4V例例1.4.2电路如左图所示，其中管子电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线的输出特性曲线如右图所示。试分析如右图所示。试分析ui为为0V、8V和和10V三种情三种情况下况下uo分别为多少伏？分别为多少伏？分析：分析：N沟道增强型沟道增强型MOS管，开启电压管，开启电压UGS(th)4V解：解：(1)ui为为0V，即，即uGSui0，管子处于夹断状态，管子处于夹断状态所以所以u0 VDD 15V(2)uGSui8V时，时，从输出特性曲线可知，管子工作从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区，在恒流区，iD 1mA，u0 uDS VDD-iD RD 10V(3)uGSui10V时，时，若工作在恒流区，若工作在恒流区，iD 2.2mA。因而。因而u0 15-2.2*5 4V但是，但是，uGS 10V时的预夹断电压为时的预夹断电压为uDS=uGS UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区可见，此时管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得从输出特性曲线可得uGS 10V时时d-s之间的等效电阻之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为所以输出电压为晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温较小，可有零温 度系数点度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和适宜大规模和 超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管 9月20日作业P71 1.13 1.15 1.16