模擬電子技術(shù)_第一章3_場效應(yīng)管_劉廣孚2

1、11.5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管（絕緣柵場效應(yīng)晶體管（MOSFET MOSFET ）結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管 （JFET JFET ）場效應(yīng)晶體管的參數(shù)場效應(yīng)晶體管的參數(shù)思考的問題：思考的問題： 三極管工作時，總是從信號三極管工作時，總是從信號源吸取電流源吸取電流,它是一種電流控制它是一種電流控制型的器件，輸入阻抗較低。型的器件，輸入阻抗較低。 那么，場效應(yīng)管是通過什么那么，場效應(yīng)管是通過什么方式來控制的？有什么特點(diǎn)？方式來控制的？有什么特點(diǎn)？2 場效應(yīng)管晶體管（場效應(yīng)管晶體管（Field Effect TransistorFET）是利用是利用電場效應(yīng)電場效應(yīng)來控制

2、的有源器件，它不來控制的有源器件，它不僅兼有一般半導(dǎo)體管體積小、重量輕、耗電省、僅兼有一般半導(dǎo)體管體積小、重量輕、耗電省、壽命長的特點(diǎn)，還具有壽命長的特點(diǎn)，還具有輸入電阻高輸入電阻高（MOSFET最最高可達(dá)高可達(dá)1015）、）、噪聲系數(shù)低噪聲系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好、工作工作頻率高頻率高、抗輻射能力強(qiáng)抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。在近代大規(guī)模和超大規(guī)模在近代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（集成電路（IC）以及微以及微波電路中得到廣泛應(yīng)用。波電路中得到廣泛應(yīng)用。 按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，場效應(yīng)晶體管可分兩大類：按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，場效應(yīng)晶體管可分兩大類： 絕緣柵型場效應(yīng)管（絕緣柵型場效應(yīng)管

3、（IGFET） 結(jié)型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）31.5.1 1.5.1 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETP溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETP溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 絕緣柵型場效應(yīng)管中應(yīng)用最多的是以絕緣柵型場效應(yīng)管中應(yīng)用最多的是以二氧化二氧化硅硅作為作為金屬（鋁）柵極金屬（鋁）柵極和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體之間的絕緣層之間的絕緣層 ，又稱金屬又稱金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。41 N1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型

4、MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)P型襯底BSiO2N+N+SDG 取一塊取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用型半導(dǎo)體作為襯底，用B表示。表示。用氧化工藝生成一層用氧化工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。薄膜絕緣層。然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。 擴(kuò)散兩個高摻雜的擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)。從而型區(qū)。從而形成兩個形成兩個PN結(jié)。（綠色部分）結(jié)。（綠色部分） 從從N型區(qū)引出電極，一個是漏極型區(qū)引出電極，一個是漏極D(Drain，相當(dāng)于，相當(dāng)于C)，一個是源極，一個是源極S(Source，相當(dāng)于，相當(dāng)于E)。 在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵

5、極層金屬鋁作為柵極G(Grid，相當(dāng)于，相當(dāng)于B)。 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的符號如的符號如左圖所示。左面的一個襯底在內(nèi)部與左圖所示。左面的一個襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個沒有連接，使源極相連，右面的一個沒有連接，使用時需要在外部連接。用時需要在外部連接。DGSBDGSB52 N2 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 對對N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個方面進(jìn)行場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓討論，一是柵源電壓UGS對溝道會產(chǎn)生影響，二是漏源電壓對溝道會產(chǎn)生影響，二是漏源電壓UDS也會對也會對溝道

6、產(chǎn)生影響，從而對輸出電流，即漏極電流溝道產(chǎn)生影響，從而對輸出電流，即漏極電流ID產(chǎn)生影響。產(chǎn)生影響。 1 1柵源電壓柵源電壓UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負(fù)離子+ 先令漏源電壓先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電，加入柵源電壓壓UGS以后并不斷增加。以后并不斷增加。 UGS帶給柵極正電荷，會將正對帶給柵極正電荷，會將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層耗盡層，用，用綠色的區(qū)域表示。綠色的區(qū)域表示。 同時會在柵極下的表層感生一定同時會在柵極下的表層感生一

7、定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。 溝道中的電子和溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為電性質(zhì)相反，稱為反型層反型層。此時若加上。此時若加上UDS ，就會有漏極電流，就會有漏極電流ID產(chǎn)生。產(chǎn)生。反型層反型層 顯然改變顯然改變UGS就會改變溝道，就會改變溝道，從而影響從而影響ID ，這說明這說明UGS對對ID的控制作用。的控制作用。0DSU 當(dāng)當(dāng)UGS較小時，不能形成有較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有效的溝道，盡管加有UDS ，也不，也不能形成能形成ID 。當(dāng)增加。當(dāng)增加UGS，使，使

8、ID剛剛剛出現(xiàn)時，對應(yīng)的剛出現(xiàn)時，對應(yīng)的UGS稱為稱為開啟開啟電壓電壓，用，用UGS(th)或或UT表示。表示。6 2 2漏源電壓漏源電壓UDS的控制作用的控制作用 設(shè)設(shè)UGSUGS(th)，增加，增加UDS，此時溝道的變化如下。，此時溝道的變化如下。SDGPN+N+SiO2型襯底DSU+GSUGS(th)U空穴正離子電子負(fù)離子 顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因為為源極和襯底相連接源極和襯底相連接，所以加入，所以加入UDS后，后， UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。結(jié)的

9、寬度最大。所以加入所以加入UDS后，在漏源之間會形成一個后，在漏源之間會形成一個傾斜的傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。 當(dāng)當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時，進(jìn)一步增加時， ID會不斷增加會不斷增加,同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷預(yù)夾斷 當(dāng)當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時，進(jìn)一步增加時， 漏端的耗盡層漏端的耗盡層向源極伸展，此時向源極伸展，此時ID基本不再增加，增基本不再增加，增加的加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。此時基本上降落在夾斷區(qū)。此時ID只只受受UGS控制，進(jìn)入線性放大區(qū)?？刂?，進(jìn)入

10、線性放大區(qū)。DI73 N3 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETMOSFET的特性曲線的特性曲線 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條，轉(zhuǎn)移特性曲線和的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條，轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線。漏極輸出特性曲線。1)1)轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明性曲線如左圖所示，它是說明柵源電柵源電壓壓UGS對漏極電流對漏極電流ID的控制關(guān)系，可的控制關(guān)系，可用這個關(guān)系式來表達(dá)，這條特性曲線用這個關(guān)系式來表達(dá)，這條特性曲線稱為稱為轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移

11、特性曲線。 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm稱為稱為跨導(dǎo)跨導(dǎo)。這是場效應(yīng)三極管的。這是場效應(yīng)三極管的一個重要參數(shù)。一個重要參數(shù)。constGSDmDSUUIg單位單位mS（mA/V）82)2)漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線 當(dāng)當(dāng)UGSUGS(th)，且固定為某一值時，反映，且固定為某一值時，反映UDS對對ID的影響，即的影響，即ID=f(UDS) UGS=const這一關(guān)系曲線稱為這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線。 場效應(yīng)三極管作為放大元件使用時，是工作在漏極輸出特性曲線場效應(yīng)三極管作為放大

12、元件使用時，是工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出UDS對對ID的影響很小。但是改變的影響很小。但是改變UGS可以明顯改變漏極電流可以明顯改變漏極電流ID，這就意味著輸入電壓對輸出電流的控，這就意味著輸入電壓對輸出電流的控制作用。制作用。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流區(qū).曲線分五個區(qū)域：曲線分五個區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)）擊穿區(qū)（5）過損耗區(qū)）過損耗區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)9OV2GSUV3V

13、5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流區(qū).從從漏極輸出特性漏極輸出特性曲線可以得到曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線，過程如下：曲線，過程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU104 N4 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO2型襯底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時，這些正

14、離子時，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。存在。 當(dāng)當(dāng)UGS=0時，對應(yīng)的漏極電流用時，對應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)表示。當(dāng)UGS0時，將使時，將使ID進(jìn)進(jìn)一步增加。一步增加。UGS0時，隨著時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)對應(yīng)ID=0的的UGS稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓，用符號，用符號UGS(off)表示，有時也用表示，有時也用UP表示。表示。N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。夾

15、斷電壓夾斷電壓IDSS11關(guān)于場效應(yīng)管符號的說明：關(guān)于場效應(yīng)管符號的說明：DGSBDGSBDGSBSGDN溝道增溝道增強(qiáng)型強(qiáng)型MOS管，襯底管，襯底箭頭向里。箭頭向里。漏、襯底漏、襯底和源、分和源、分開，表示開，表示零柵壓時零柵壓時溝道不通。溝道不通。表示襯底表示襯底在內(nèi)部沒在內(nèi)部沒有與源極有與源極連接。連接。N溝道耗溝道耗盡型盡型MOS管。漏、管。漏、襯底和源襯底和源不斷開表不斷開表示零柵壓示零柵壓時溝道已時溝道已經(jīng)連通。經(jīng)連通。 N溝道結(jié)溝道結(jié)型場效應(yīng)型場效應(yīng)管。沒有管。沒有絕緣層。絕緣層。如果是如果是P溝道，箭頭則向外。溝道，箭頭則向外。121.5.2 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

16、 工作原理工作原理 輸出特性輸出特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 主要參數(shù)主要參數(shù)1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) (Junction type Field Effect Transisstor)13 源極源極，用用S或或s表示表示N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道漏極漏極，用用D或或d表示表示 P型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)柵極柵極，用用G或或g表示表示柵極柵極，用用G或或g表示表示符號符號符號符號1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 142.工作原理工作原理（以（以N溝道為例）溝道為例）vDS=0V時時NGSDvDSVGSNNPPiDPN結(jié)反偏

17、，結(jié)反偏，VGS越負(fù)越負(fù),則耗盡區(qū)越則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越寬，導(dǎo)電溝道越窄。窄。 VGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用15VDSNGSDVGSPPiDVGS達(dá)到一定值時耗盡達(dá)到一定值時耗盡區(qū)碰到一起，區(qū)碰到一起，DS間的間的導(dǎo)電溝道被夾斷。導(dǎo)電溝道被夾斷。 當(dāng)溝道夾斷時，對當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓應(yīng)的柵源電壓VGS稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓VP （ 或或VGS(off) ）。）。 VGS繼續(xù)減小繼續(xù)減小(更負(fù)更負(fù))對于對于N溝道的溝道的JFET，VP 0。16NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V時時PP VDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)VGS=0時，時，VDS iD G、D

18、間間PN結(jié)的反向電壓結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。上至下呈楔形分布。17NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大結(jié)反壓越大iD 當(dāng)當(dāng)VDS增加到使增加到使VGD=VP 時，時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時此時VDS 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 ID基本不變基本不變18GSDVDSVGSPPiDN VGS和和VDS同時作用時同時作用時VGS越小越小(越負(fù)越負(fù))耗盡區(qū)越寬，溝耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。道越窄，電阻越大。iD 減小。減小。當(dāng)當(dāng)VP VG

19、S0 時，時，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對于同樣的對于同樣的VDS ， iD的值的值比比VGS=0時的值要小。時的值要小。在預(yù)夾斷處在預(yù)夾斷處VGD=VGS- -VDS =VP 19綜上分析可知綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管也稱為所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管單極型三極管。 JFETJFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制 預(yù)夾斷前預(yù)夾斷前i iD D與與v vDSDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， i iD D趨于飽和。趨于飽和。 J

20、FET JFET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PNPN結(jié)是反向偏置的，因結(jié)是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，輸入電阻很高輸入電阻很高。202 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)const.DSDGS)( vvfi2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIiVP1. 輸出特性輸出特性 21 夾斷電壓夾斷電壓VP (或或VGS(off)： 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS： 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm：DSGSDmVvig 時時）（當(dāng)當(dāng)0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要參數(shù)主要參數(shù)漏極電流約為零時的

21、漏極電流約為零時的VGS值值 。VGS=0時對應(yīng)的漏極電流。時對應(yīng)的漏極電流。 低頻跨導(dǎo)反映了低頻跨導(dǎo)反映了vGS對對iD的控制作用。的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子毫西門子)。 輸出電阻輸出電阻rd：GSDDSdVivr 223. 主要參數(shù)主要參數(shù) 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS： 對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約大于約大于107。 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM 最大漏源電壓最大漏源電壓V(BR)DS 最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS231.N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性

22、曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP夾斷電壓夾斷電壓飽和漏極電流飽和漏極電流小結(jié)小結(jié)（JFET管）管）24輸出特性曲線輸出特性曲線iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線-2V可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)預(yù)夾斷曲線預(yù)夾斷曲線擊穿區(qū)擊穿區(qū)25轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP飽和漏極電流飽和漏極電流夾斷電壓夾斷電壓2 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號符號柵源端加正電壓柵源端加正電壓漏源端加負(fù)電壓漏源端加負(fù)電壓26予夾斷曲線予夾斷曲線iDv DS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線輸出特性曲線0P溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管27 結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，