模擬電路課件1.4場(chǎng)效應(yīng)管

1、1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.4.2 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1.4.4 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較場(chǎng)效應(yīng)管：場(chǎng)效應(yīng)管： 利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出回路電流的一種利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)控制輸出回路電流的一種較新型的半導(dǎo)體器件較新型的半導(dǎo)體器件，其外形與普通晶體管相似，其外形與普通晶體管相似，但兩者的控制特性卻截然相反。但兩者的控制特性卻截然相反。普通晶體管通過(guò)控制基極電流達(dá)到控制集電極電流普通晶體管通過(guò)控制基極電流達(dá)到控制集電極電流或發(fā)射極電流的目的。場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電流決定于或發(fā)射極電流的目的。場(chǎng)效應(yīng)管的輸

2、出電流決定于輸入端電壓的大小，是電壓控制元件。輸入端電壓的大小，是電壓控制元件。特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入電阻高輸入電阻高107 1012噪聲低、熱穩(wěn)定性好、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小?？馆椛淠芰?qiáng)、功耗小。類(lèi)型：類(lèi)型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）單極型晶體管單極型晶體管（僅靠半導(dǎo)體中多數(shù)載流子導(dǎo)電）（僅靠半導(dǎo)體中多數(shù)載流子導(dǎo)電）電壓型電壓型控制元件控制元件(1) N溝溝道道管管s 源極源極d 漏極漏極g柵極柵極gsd P PN(2) P 溝溝 道道 管管gSdP N Ng柵極柵極d 漏極漏極S源極源極導(dǎo)導(dǎo)電電溝溝道道為為P型型半

3、半導(dǎo)導(dǎo)體體，稱(chēng)稱(chēng)為為P型型溝溝道道管管。1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2.工作原理工作原理PN結(jié)空間電荷區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)(即耗盡層即耗盡層)的寬度是隨著加在的寬度是隨著加在PN結(jié)上的反向電結(jié)上的反向電相關(guān)知相關(guān)知識(shí)識(shí) 圖圖1.4.3 uDS 0時(shí)時(shí)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用(a) uGS=0=0(c) uGSUGS(off) (b) uGS(off) uGS0 0(a) uGS=0, (b) UGS(off)uGS0，UGS(off)夾斷電壓夾斷電壓P+壓的大小而變化的。反向電壓越大，耗盡層越寬；反之，則越窄。壓的大小而變化的。反向電壓越大，耗盡層越寬；反之，則越窄。J

4、FET就是利用就是利用PN結(jié)的這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)改變柵壓結(jié)的這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)改變柵壓uGS來(lái)改變溝道電阻，進(jìn)而改變來(lái)改變溝道電阻，進(jìn)而改變s、d極間的電流極間的電流iD。(c) uGSUGS(off) （1 1）當(dāng)當(dāng)uDS=0，uGS對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用溝道變窄溝道變窄溝道夾斷溝道夾斷溝道最寬溝道最寬, , iD =0 =0（2） uGS為為 UGS(off)uGS0 0中某一定值時(shí)，中某一定值時(shí)，uDS對(duì)漏極電流的影響對(duì)漏極電流的影響 uGD=uGS -uDS圖圖1.4.4 UGS(off) uGS 0的情況的情況(a) uGDUGS(off）(b) uGD=UGS(off）(c)uG

5、DUGS(off)當(dāng)當(dāng) uDS=0, uGD= uGS，溝道等寬，溝道等寬，iD=0當(dāng)當(dāng) (a) uDS0,溝道溝道各點(diǎn)電位不等，且不等寬各點(diǎn)電位不等，且不等寬 (b) uDSuGD=uGS uDS= UGS(off)溝道預(yù)夾斷溝道預(yù)夾斷 (c) uDS ，夾斷區(qū)延長(zhǎng)，夾斷區(qū)延長(zhǎng)（3 3）uGDUGS(off)， uGS對(duì)對(duì)iD的控制作用的控制作用當(dāng)當(dāng)uDS一定時(shí)，改變一定時(shí)，改變uGS iD隨之變化隨之變化P+ iD 0 綜上所述，可得綜上所述，可得JFET導(dǎo)電的如下幾個(gè)特性：導(dǎo)電的如下幾個(gè)特性： 在在uDS不變的情況下，不變的情況下，uGS的微小變化可以引起的微小變化可以引起iD比較大的比

6、較大的變化，故稱(chēng)變化，故稱(chēng)FET為為電壓型電壓型控制元件?？刂圃硎请妶?chǎng)對(duì)控制元件?？刂圃硎请妶?chǎng)對(duì)PN結(jié)的控制，故為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。結(jié)的控制，故為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件。 因?yàn)橐驗(yàn)镚、S極間加反向偏電壓，兩個(gè)極間加反向偏電壓，兩個(gè)P+N結(jié)截止，柵極電流結(jié)截止，柵極電流iG00，故，故JFETJFET的的輸入電阻很大輸入電阻很大。輸入特性改為討論轉(zhuǎn)移特性。輸入特性改為討論轉(zhuǎn)移特性。 與與BJT相類(lèi)似，當(dāng)漏極接上負(fù)載電阻相類(lèi)似，當(dāng)漏極接上負(fù)載電阻RD后，在后，在RD上可以得上可以得到放大了的變化電壓。到放大了的變化電壓。 溝道中只有一種類(lèi)型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，溝道中只有一種類(lèi)型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

7、所以場(chǎng)效所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱(chēng)為單極型三極管應(yīng)管也稱(chēng)為單極型三極管。3.3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線1)1)輸出特性曲線輸出特性曲線()|GSDDSuif u常數(shù) 圖圖1.4.5 場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性 (1)可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）：可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）：預(yù)夾斷軌跡：指各條曲線上使預(yù)夾斷軌跡：指各條曲線上使uDS= uGS uGS(off) 的點(diǎn)連接而成。的點(diǎn)連接而成。因因 uGD= uGS uDS當(dāng)當(dāng) uGD = uGS(off) uDS較小較小uGS 一定一定， uDS iD rDS為一常數(shù)為一常數(shù) uGS 改變，改變， rDS 隨之改變隨之改變（2 2）恒流區(qū)）

8、恒流區(qū)（飽和區(qū)飽和區(qū)）：uGDUGS(off)uGS 一定，一定， iD幾乎不隨幾乎不隨uDS變化變化uDS 一定，一定，iD隨隨uGS變化變化（3 3）夾斷區(qū)）夾斷區(qū)：uGS uGS(off)， iD0已知輸出特性繪制轉(zhuǎn)移特性已知輸出特性繪制轉(zhuǎn)移特性圖圖1.4.6 場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線()|DSDGSuif u常數(shù) uGS=0時(shí)，產(chǎn)生預(yù)夾斷點(diǎn)的電流。時(shí)，產(chǎn)生預(yù)夾斷點(diǎn)的電流。IDSS飽和漏極電流：飽和漏極電流：2)轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)內(nèi)，在恒流區(qū)內(nèi)， ) 0 ( )1 ()(2)(GSoffGSoffGSGSDSSDuUUuIi1.4.2 1.4.2 絕緣柵

9、型場(chǎng)效應(yīng)管（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSMOS管管) ) MOS MOS管管的工作原理建立在半導(dǎo)體表面場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。的工作原理建立在半導(dǎo)體表面場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上。所謂表面場(chǎng)效應(yīng)是指半導(dǎo)體表面有電場(chǎng)作用時(shí)，表面載流子濃所謂表面場(chǎng)效應(yīng)是指半導(dǎo)體表面有電場(chǎng)作用時(shí)，表面載流子濃度發(fā)生變化的現(xiàn)象。度發(fā)生變化的現(xiàn)象。MOSMOS管管uGS=0時(shí)，就存在導(dǎo)電溝道時(shí)，就存在導(dǎo)電溝道(iD0)uGS=0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道(iD=0)耗盡型：耗盡型：增強(qiáng)型：增強(qiáng)型：N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管JF

10、ET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型1. N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET 1)結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)D ( Drain )為漏極，相當(dāng)于集電為漏極，相當(dāng)于集電極極C；G ( Gate )為柵極，相當(dāng)于為柵極，相當(dāng)于基極基極B ; S ( Source ) 為源極，相為源極，相當(dāng)于發(fā)射極當(dāng)于發(fā)射極E。 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET是在是在P型半導(dǎo)體上生成一層型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄薄膜絕緣層，擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的膜絕緣層，擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極是漏極D，一個(gè)是源極，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層。在

11、源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱(chēng)為襯底，用符號(hào)型半導(dǎo)體稱(chēng)為襯底，用符號(hào)B表示。因?yàn)楸硎?。因?yàn)闁艠O與其他電極及硅片之間是絕緣的柵極與其他電極及硅片之間是絕緣的,故又稱(chēng)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。故又稱(chēng)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。 結(jié)構(gòu)：金屬(Al)氧化物(SIO2)半導(dǎo)體2)工作原理工作原理uDS 0時(shí)，時(shí)，uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響uGS=0(G、S極間短路極間短路)：兩個(gè)兩個(gè)N+區(qū)與區(qū)與P區(qū)三者間形成兩個(gè)背靠區(qū)三者間形成兩個(gè)背靠PN+結(jié)處于反偏，故漏極電流結(jié)處于反偏，故漏極電流iD 0，管子截止。，管子截止。背的背的PN+結(jié)，如圖所示。結(jié)，如圖所示。這時(shí)不管這時(shí)

12、不管uDS的極性如何，總會(huì)有一個(gè)的極性如何，總會(huì)有一個(gè)BSGVDDDN+N+P PPN+ +結(jié)結(jié)PN+ +結(jié)結(jié)P型襯底型襯底圖圖1.4.8 uDS 0時(shí)時(shí)uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響第一種情況，第一種情況，0uGS UGS(th) ， 第二種情況，第二種情況，uGS UGS(th) ， uGS0：uDS=0=0。這里的這里的UGS(th)th) 為開(kāi)啟電壓，為開(kāi)啟電壓，柵極和襯底相當(dāng)于充有絕緣介質(zhì)的柵極和襯底相當(dāng)于充有絕緣介質(zhì)的平平板電容器。板電容器。UGS(th) 0 0，其值約為，其值約為2V2V 10V10V。在在P P型硅表面形成一個(gè)電子薄層型硅表面形成一個(gè)電子薄層D、S間溝

13、道形成。間溝道形成。 uGS越大，越大，溝道愈厚，溝道電阻愈小。溝道愈厚，溝道電阻愈小。 uGSUGS(th)的某一值時(shí)，的某一值時(shí)，uDS對(duì)對(duì)iD的的影響影響圖圖1.4.9 uGS為大于為大于UGS(th)的某一值時(shí)的某一值時(shí)uDS對(duì)對(duì)iD的的影響影響(a)(a)uDS uGS -uGS(th) (b)(b)uDS= uGS -uGS(th) (c)(c)uDS uGS -uGS(th) uDS較小時(shí)，較小時(shí)， uDS繼續(xù)增加，使漏極處溝道縮減到剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)預(yù)夾斷。繼續(xù)增加，使漏極處溝道縮減到剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)預(yù)夾斷。 uDS再增加，預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向再增加，預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。極

14、。 VDS增加部分基本降落增加部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變?；沮呌诓蛔儭D隨隨VDS增加而增加，溝道存在電位梯度，不等寬。增加而增加，溝道存在電位梯度，不等寬。3 3）特性曲線與電流方程）特性曲線與電流方程圖圖1.4.10 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的特性管的特性曲線曲線(a)(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(b)(b)輸出特性輸出特性在恒流區(qū)，在恒流區(qū)，2)() 1(thGSGSDODuuIiDthGSGSDOiuuI對(duì)應(yīng)的)(22.N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS同增強(qiáng)型區(qū)別：同增強(qiáng)型區(qū)別：這種管子在制造時(shí)已在這種管子在制造時(shí)已在SiO

15、2絕緣層中摻入了大量的正離子，正離子會(huì)把電子絕緣層中摻入了大量的正離子，正離子會(huì)把電子吸引到表面，形成原始的電子溝道吸引到表面，形成原始的電子溝道(N溝道溝道)，如圖示。，如圖示。即使在即使在uGS=0時(shí)，時(shí)，NMOS管也能在管也能在uDS的的作用下，產(chǎn)生漏極電流作用下，產(chǎn)生漏極電流iD=IDSS。即只要即只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。有漏源電壓，就有漏極電流存在。若若uGS0，感應(yīng)電荷減少，感應(yīng)電荷減少，則削弱了正離則削弱了正離子的作用，子的作用， iD將減??；將減??；若若uGS0，感應(yīng)電荷增大，則增強(qiáng)了正離，感應(yīng)電荷增大，則增強(qiáng)了正離子的作用，子的作用， iD增加。增加。 當(dāng)當(dāng)uGS下

16、降到下降到uGS=UGS(off)(0)，導(dǎo)電溝道，導(dǎo)電溝道消失，消失， iD 0 P溝道溝道MOSFET的工作原理與的工作原理與N溝道溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和型和PNP型一樣。型一樣。 3. P P溝道溝道MOSFET1.4.3 1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1)直流參數(shù)直流參數(shù)(1)夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) ：uDS一定，使一定，使iD某一規(guī)定值某一規(guī)定值(0或或5 A)的的uGS。(3)飽和漏極電流飽和漏極電流

17、IDSS：uGS=0，產(chǎn)生預(yù)夾斷（，產(chǎn)生預(yù)夾斷（uDS|UGS(off)|）時(shí)的）時(shí)的iD。(4)直流輸入電阻直流輸入電阻RGS：uDS=0時(shí)，時(shí)，uGS與與iG之比的比值。之比的比值。(2)開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGS(th)：uDS一定，使一定，使iD某一規(guī)定值（某一規(guī)定值（5A)的的uGS。GSGSGSIUR 即uDS一定時(shí)，一定時(shí)，iD與與uGS的微變量之比的比值，即的微變量之比的比值，即2) 交流參數(shù)交流參數(shù)(1)低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)(或稱(chēng)互導(dǎo)或稱(chēng)互導(dǎo))gm|DSDmuGSigu常數(shù) （由于（由于iG0，故，故RGS很高，一般大于很高，一般大于108。）。）gm反映了反映了uGS對(duì)對(duì)iD的控制

18、能力，的控制能力，一般，一般，G與與S和和G與與D間之電容間之電容Cgs和和Cgd約為約為1pF3pF，D與與S之間之間(2)極間電容極間電容:電容電容Cds約為約為0.1pF1pF。 3) 極限參數(shù)極限參數(shù)(1)漏極最大耗散功率漏極最大耗散功率PDM、漏極最大允許電流、漏極最大允許電流IDM，同，同BJT的的PCM、ICM類(lèi)同類(lèi)同(2)擊穿電壓：擊穿電壓：擊穿電壓擊穿電壓U(BR)DS uDS增大到使增大到使iD開(kāi)始急劇增加，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的開(kāi)始急劇增加，發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的uDS值。使用時(shí)值。使用時(shí)uDS不不能超過(guò)此值。能超過(guò)此值。 擊穿電壓擊穿電壓U(BR)GS指指G、S間間P+N結(jié)的反向擊

19、穿電壓。若結(jié)的反向擊穿電壓。若UGS超過(guò)此值，超過(guò)此值，P+N結(jié)將被擊穿。結(jié)將被擊穿。兩種方式來(lái)控制導(dǎo)電溝道的寬窄，以改變漏極電流兩種方式來(lái)控制導(dǎo)電溝道的寬窄，以改變漏極電流iD的大小。的大小。 MOS管與管與JFET管管雖然都是利用電場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬窄，雖然都是利用電場(chǎng)的強(qiáng)弱來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬窄，但采用的方式不同：但采用的方式不同：JFET是通過(guò)是通過(guò)PN結(jié)反偏時(shí)產(chǎn)生的耗盡層大??；結(jié)反偏時(shí)產(chǎn)生的耗盡層大小；MOS管是通過(guò)絕緣柵在外加電壓作用下感應(yīng)電荷的多少。采用這樣管是通過(guò)絕緣柵在外加電壓作用下感應(yīng)電荷的多少。采用這樣綜上所述：綜上所述：MOSFET的符號(hào)的符號(hào)符號(hào)中符號(hào)中D、S間的連線表示導(dǎo)電溝道的性質(zhì)。其具體間的連線表示導(dǎo)電溝道的性質(zhì)。其具體 S、D極的互換性極的互換性 通常通常MOS管在使用時(shí)，管在使用時(shí)，S、D極可以互換，極可以互換，但有些管子在出廠時(shí)，源極但有些管子在出廠時(shí)，源極S與襯底與襯底B已被連好已被連好，這些管子就不能隨便交換，這些管子就不能隨便交換S極和極和D極了