模擬電子電路基礎：4-3半導體場效應管

1、4.3 半導體場效應管,4.3.1 結型場效應管 4.3.2 絕緣柵場效應管 4.3.3 場效應管的主要參數(shù)及電路模型 4.3.4 雙極型和場效應型三極管的比較,場效應半導體三極管是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件,從場效應三極管的結構來劃分，它有兩大類。 1.結型場效應三極管JFET (Junction type Field Effect Transister,2.絕緣柵型場效應三極管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Tran

2、sister) IGFET也稱金屬氧化物半導體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET,4.3.1 結型場效應管,1.結型場效應三極管的結構 JFET的結構如圖所示，它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。P區(qū)即為柵極， N型硅的一端是漏極，另一端是源極,結型場效應三極管的結構（動畫2-8,1) 柵源電壓對溝道的控制作用（uDS =0,當uGS=0時，耗盡層較窄，導電溝道最寬。 當uGS0時，PN結反偏，耗盡層變寬，漏、源間的溝道將變窄，uGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，溝道電阻加大，當uGS增加到某一值時，兩側的耗

3、盡層相碰，溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大，這時的uGS稱為夾斷電壓UGS(off,uGS對溝道的控制作用,2. 結型場效應三極管的工作原理,2) 漏源電壓對溝道的控制作用,漏源電壓對溝道的控制作用（動畫2-9,3) UGS(off)0的情況,a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉移特性曲線 N溝道結型場效應管的特性曲線 動畫（2-6） 動畫（2-7,3.結型場效應三極管的特性曲線,UGS(off,結型場效應管的缺點,1. 柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高,絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題,2. 在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。 3. 柵源極間的

4、PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流,1、三極管的主要參數(shù)及電路模型,上節(jié)課內容提要,結構物理模型受控特性混合型微變等效電路 小信號前提、簡化 低頻簡化型微變等效電路,2、場效應三極管 （1）分類、符號 結構： 參與導電的載流子,結型場效應管 絕緣柵場效應管（MOSFET,N溝道、P溝道,2）結型場效應管的工作原理,UGS(off)0,柵源電壓控制溝道的電阻；夾斷電壓UGS(off,漏源電壓產(chǎn)生漏極電流，并使漏極電流隨漏源電壓控制,3）N溝道結型場效應管的特性曲線,4.3.2 絕緣柵場效應管,絕緣柵型場效應三極管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。

5、分為 增強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的 絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為 襯底，用符號B表示,1.N溝道增強型MOSFET (1)結構,N溝道增強型MOSFET是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極,N溝道增強型 MOSFET結構示意圖（動畫2-3,當柵極加有電壓時，若 0uGSUGS(th)時，通過柵極和 襯底間的電容作用，將靠近柵極 下方的P型半導體中的空穴向下 方排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的 耗盡層。耗盡層中的少子將向表 層運動，但數(shù)量有限，不足以形 成

6、溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能形成漏極電流iD,2)工作原理 柵源電壓uGS的控制作用,當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流,uGS對漏極電流的控制關系可用 iD=f(uGS)uDS=const 這一曲線描述，稱為轉移特性曲線,進一步增加UGS，當uGSUGS(th) 時( UGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此 時的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近 柵極下方的P型半導體表層中聚集較 多的電子，可以形成溝道，將漏極 和源極溝通。如果此時加有漏源電 壓，就可以形成漏極電流iD。在柵 極下方形成的導電溝道中的電子， 因與P型半導體的載流子空穴

7、極性 相反，故稱為反型層。 (動畫2-4,隨著uGS的繼續(xù)增加，iD將不斷增加,uGS對漏極電流的控制特性轉移特性曲線,轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓 對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以 gm也稱為跨導。跨導的定義式如下 gm=ID/UGS uDS=const (單位mS,UGS(th,iD=f(uGS)uDS=const,漏源電壓uDS對漏極電流iD的控制作用,當uGSUGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓uDS對漏極電流iD的影響,漏源電壓VDS對溝道的影響,動畫2-5,漏極輸出特性曲線,iD=f(uDS)uGS=const,2.N溝道耗盡型MOSF

8、ET,a) 結構示意圖 (b) 轉移特性曲線,UGS(off,3.特性曲線,場效應管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導電溝道的不同，以及是增強型還是耗盡型可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同,4.3.3 場效應管的主要參數(shù)和電路模型,1. 場效應三極管的主要參數(shù) 開啟電壓UGS(th) (或UT) 開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于 開啟電壓的絕對值, 場效應管不能導通,夾斷電壓UGS(off) (或UP) 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當uGS=UGS(off) 時,漏極電流為零,飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應三極管, 當UGS=0時所對應的漏極電流,輸入電

9、阻RGS 場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107，對于絕緣柵型場效應三極管, RGS約是1091015,低頻跨導gm 低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用， 這一點與電子管的控制作用相似。gm可以在轉 移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子,最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= UDS ID決定，當場效應管的溫度達到其極限溫度tj時所對應的漏極功耗。與雙極型三極管的PCM相當,2.電路模型,附錄 場效應三極管的型號,場效應三極管的型號, 現(xiàn)行有兩種命名方法。其 一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場 效應管，O代表絕緣柵場效應管。第

10、二位字母代表 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝 道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管,第二種命名方法是CS#，CS代表場效應管，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等,幾種常用的場效應三極管的主要參數(shù)見表02.02,表02.02 場效應三極管的參數(shù),半導體三極管圖片,半導體三極管圖片,4.3.4 雙極型和場效應型三極管的比較,雙極型三極管 場效應三極管 結構 NPN型 結型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道 C與E一般不可倒置使

11、用 D與S一般可倒置使用 載流子 多子擴散少子漂移 多or少子漂移 輸入量 電流輸入 電壓輸入 控制 電流控制電流源CCCS() 電壓控制電流源VCCS(gm,雙極型三極管 場效應三極管 噪聲 較大 較小 溫度特性 受溫度影響較大 較小，可有零溫度系數(shù)點 輸入電阻 幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上 靜電影響 不受靜電影響 易受靜電影響 集成工藝 不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成,第4章 總結,一、PN結及二極管 1、半導體 特點:導電能力可控(受控于光、熱、雜質等) 2、PN結 （1）PN結的形成 （2）PN結的單向導電性和PN結的擊穿 （3）PN結的電容效應 勢壘電容CB 擴散電容CD,

12、3、二極管 （1）二極管的伏安特性 （a）正向特性 開啟電壓Uth 、導通電壓UD(on) （b）反向特性 反向飽和電流 Is （c）擊穿特性 擊穿電壓UBR （2）二極管的開關特性 存在反向恢復時間,4、二極管的主要參數(shù)及電路模型 直流模型：理想模型、恒壓降模型、折線模型 交流模型：小信號模型 5、模型分析法應用 整流電路、限幅電路、開關電路 分析方法：斷開法,6、特殊二極管穩(wěn)壓二極管,二、雙極型三極管 1、三極管的結構、分類 工藝特點：發(fā)射區(qū)高摻雜， 基區(qū)低摻雜、寬度窄， 集電區(qū)結面積大、摻雜濃度低。 2、三極管的電流分配與控制,NPN 型,PNP 型,3、三極管的電流關系 IE =IC+IB 共基極直流電流放大系數(shù)： 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)： 4、三極管的伏安特性 輸入特性,輸出特性曲線 飽和區(qū)：發(fā)射結正偏、 集電結正偏或零偏 放大區(qū)：發(fā)射結正偏、 集電結反偏 截止區(qū)：發(fā)射結反偏或零偏、 集電結反偏,2021/3/2,37,5、三極管的開關特性,截止狀態(tài) IB0，IC0，UCEVCC 飽和狀態(tài),ICICS，VCEUCES0,6、三極管的主要參數(shù)及電路模型 結構物理模型的方法混合型微變等效電路 小信號前提、簡化 低頻簡化型微變等效電路,三、半導體場效應管 （1）分類 結構：結型場效應管 絕緣柵場效應管（MOSFET） 參與導電的載流子： N溝道、P溝道 導電溝道的形成機理