場效應管工作原理課件

1、場效應管工作原理MOS場效應管電源開關電路。 這是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡單解釋一下MOS 場效應管的工作原理。MOS 場效應管也被稱為MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導體場效應管）的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS場效應管，其內部結構見圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管

2、是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效應管的原因。為解釋MOS場效應管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個PN結的二極管的工作過程。如圖6所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負極）時，二極管導通，其PN結有電流通過。這是因為在P型半導體端為正電壓時，N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端，而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動，從而形成導通電流。同理，當二極管加上反向電壓（P端接負極，N端接正極）時，這時在P型半導

3、體端為負電壓，正電子被聚集在P型半導體端，負電子則聚集在N型半導體端，電子不移動，其PN結沒有電流通過，二極管截止。對于場效應管（見圖7），在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效應管處與截止狀態(tài)（圖7a）。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時，由于電場的作用，此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中（見圖7b），從而形成電流，使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出

4、了P溝道的MOS場效應管的工作過程，其工作原理類似這里不再重復。下面簡述一下用C-MOS場效應管（增強型MOS場效應管）組成的應用電路的工作過程（見圖9）。電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時，P溝道MOS場效應管導通，輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時，N溝道MOS場效應管導通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時，M

5、OS場效應管既被關斷。不同場效應管其關斷電壓略有不同。也正因為如此，使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應管電路部分的工作過程（見圖10）。工作原理同前所述。場效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數載流子和反極性的少數載流子參與導電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數載流子參與導電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區(qū)域寬等優(yōu)

6、點，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。一、場效應管的分類場效應管分結型、絕緣柵型兩大類。結型場效應管（JFET）因有兩個PN結而得名，絕緣柵型場效應管（JGFET）則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應管中，應用最為廣泛的是MOS場效應管，簡稱MOS管（即金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應管，以及最近剛問世的MOS場效應管、VMOS功率模塊等。  按溝道半導體材料的不同，結型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩種。若按導電方式來劃分，場效應管又可分成耗盡型與增強型。結型場效應管均為耗盡型，絕緣柵型場效應管既有

7、耗盡型的，也有增強型的。場效應晶體管可分為結場效應晶體管和MOS場效應晶體管。而MOS場效應晶體管又分為N溝耗盡型和增強型；P溝耗盡型和增強型四大類。見下圖。二、場效應三極管的型號命名方法現行有兩種命名方法。第一種命名方法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CS

8、14A、CS45G等。三、場效應管的參數場效應管的參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時關注以下主要參數：1、I DSS 飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，柵極電壓U GS=0時的漏源電流。2、UP 夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。3、UT 開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。4、gM 跨導。是表示柵源電壓U GS 對漏極電流I D的控制能力，即漏極電流I D變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM 是衡量場效應管放大能力的重要參數。5、BUDS 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應管

9、正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場效應管上的工作電壓必須小于BUDS。6、PDSM 最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM 最大漏源電流。是一項極限參數，是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過IDSM幾種常用的場效應三極管的主要參數四、場效應管的作用1、場效應管可應用于放大。由于場效應管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。2、場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作

10、阻抗變換。3、場效應管可以用作可變電阻。4、場效應管可以方便地用作恒流源。5、場效應管可以用作電子開關。五、場效應管的測試1、結型場效應管的管腳識別：場效應管的柵極相當于晶體管的基極，源極和漏極分別對應于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R×1k檔，用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均為數K時，則這兩個管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個管腳即為柵極G。對于有4個管腳的結型場效應管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。2、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個電極，紅表筆分別碰觸另外兩個電極。若兩次測出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管

11、屬于N溝道場效應管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場效應管的源極和漏極是對稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注意不能用此法判定絕緣柵型場效應管的柵極。因為這種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測量時只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。3、估測場效應管的放大能力將萬用表撥到R×100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，相當于給場效應管加上1.5V的電源電壓。這時表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G，將人體的感應電壓作為輸入信號加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都

12、將發(fā)生變化，也相當于D-S極間電阻發(fā)生變化，可觀察到表針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極時表針擺動很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動，說明管子已經損壞。由于人體感應的50Hz交流電壓較高，而不同的場效應管用電阻檔測量時的工作點可能不同，因此用手捏柵極時表針可能向右擺動，也可能向左擺動。少數的管子RDS減小，使表針向右擺動，多數管子的RDS增大，表針向左擺動。無論表針的擺動方向如何，只要能有明顯地擺動，就說明管子具有放大能力。本方法也適用于測MOS管。為了保護MOS場效應管，必須用手握住螺釘旋具絕緣柄，用金屬桿去碰柵極，以防止人體感應電荷直接加到柵極上，將管子損壞。MOS管每次測量完畢，G-

13、S結電容上會充有少量電荷，建立起電壓UGS，再接著測時表針可能不動，此時將G-S極間短路一下即可。目前常用的結型場效應管和MOS型絕緣柵場效應管的管腳順序如下圖所示。六、常用場效用管1、MOS場效應管 即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達1015）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗

14、盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態(tài)，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區(qū)域的載流子，形成導電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴散區(qū)N+和漏擴散區(qū)N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通，二者總保持等電位。圖1（a）符號中的前頭方向是從外向里，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當漏接電源正極，源極接電源負極并使VGS=0時，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸

15、引，在兩個擴散區(qū)之間就感應出帶負電的少數載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID。國產N溝道MOSFET的典型產品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均為單柵管），4DO1（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。MOS場效應管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時，全部引線也應短接。

16、在測量時應格外小心，并采取相應的防靜電感措施。MOS場效應管的檢測方法（1）準備工作測量之前，先把人體對地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導線。（2）判定電極將萬用表撥于R×100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的為D極，紅表筆接的是S極。日本生產的3SK系列產品，S極與管殼接通，據此很容易確定S極。（3）檢查放大能力（跨導）將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，然后用手指觸摸G

17、極，表針應有較大的偏轉。雙柵MOS場效應管有兩個柵極G1、G2。為區(qū)分之，可用手分別觸摸G1、G2極，其中表針向左側偏轉幅度較大的為G2極。目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護二極管，平時就不需要把各管腳短路了。MOS場效應晶體管使用注意事項。MOS場效應晶體管在使用時應注意分類，不能隨意互換。MOS場效應晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應注意以下規(guī)則：（1）.      MOS器件出廠時通常裝在黑色的導電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在一起，或用錫紙包裝（2）.取出的

18、MOS器件不能在塑料板上滑動，應用金屬盤來盛放待用器件。（3）. 焊接用的電烙鐵必須良好接地。（4）. 在焊接前應把電路板的電源線與地線短接，再MOS器件焊接完成后在分開。（5）. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時順序相反。（6）.電路板在裝機之前，要用接地的線夾子去碰一下機器的各接線端子，再把電路板接上去。（7）. MOS場效應晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護二極管。在檢修電路時應注意查證原有的保護二極管是否損壞。2、VMOS場效應管VMOS場效應管（VMOSFET）簡稱VMOS管或功率場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、

19、功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（108W）、驅動電流?。ㄗ笥?.1A左右），還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（1.5A100A）、輸出功率高（1250W）、跨導的線性好、開關速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數可達數千倍）、功率放大器、開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。眾所周知，傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結構特點:第一，金屬柵極采用V型槽結構；第二，具有垂直導電性。由于漏極是從芯片的背

20、面引出，所以ID不是沿芯片水平流動，而是自重摻雜N+區(qū)（源極S）出發(fā)，經過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因為流通截面積增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場效應管。國內生產VMOS場效應管的主要廠家有877廠、天津半導體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數。其中，IRFPC50的外型如右上圖所示。VMOS場效應管的檢測方法（1）判定柵極G將萬用表撥至R×1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發(fā)現某腳與其字兩腳的電阻均呈無

21、窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。（2）判定源極S、漏極D      由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結，因此根據PN結正、反向電阻存在差異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時紅表筆的是S極，黑表筆接D極。（數字萬用表）（3）測量漏-源通態(tài)電阻RDS（on）      將G-S極短路，選擇萬用表的R×1檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，阻值應為幾歐至十

22、幾歐。（數字萬用表）由于測試條件不同，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。（4）檢查跨導 將萬用表置于R×1k（或R×100）檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，表針應有明顯偏轉，偏轉愈大，管子的跨導愈高。（數字萬用表）注意事項：（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬于N溝道管。對于P溝道管，測量時應交換表筆的位置。（2）有少數VMOS管在G-S之間并有保護二極管，本檢測方法中的1、2項不再適用。（

23、3）目前市場上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機調速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產的IRFT001型模塊，內部有N溝道、P溝道管各三只，構成三相橋式結構。（4）現在市售VNF系列（N溝道）產品，是美國Supertex公司生產的超高頻功率場效應管，其最高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導gm=2000S。適用于高速開關電路和廣播、通信設備中。（5）使用VMOS管時必須加合適的散熱器后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，最大功率才能達到30W七、場效應管與晶體管的比較（1）場效應管是電壓控

24、制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用晶體管。（2）場效應管是利用多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。被稱之為雙極型器件。（3）有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比晶體管好。（4）場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應用。由于半導體三極管工作在放大狀態(tài)時，必須保證發(fā)射結正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入

25、電流就可改變輸出電流，所以三極管是電流控制器件，因而三極管組成的放大器，其輸入電阻不高。場效應管是通過改變輸入電壓(即利用電場效應)來控制輸出電流的，屬于電壓控制器件，它不吸收信號源電流，不消耗信號源功率，因此輸入電阻十分高，可高達上百兆歐。除此之外，場效應管還具有溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點，所得到廣泛的應用。場效應管分為結型場效應管(JFET)和絕緣柵場效應管(IGFET)，目前最常用的MOS管。由于半導體三極管參與導電的兩種極性的載流子，電子和空穴，所以又稱為半導體三極管雙極性三極管。場效應管僅依靠一種極性的載流子導電，所以又稱為單極性三極管。FETF

26、ield Effect transistorJFETJunction Field Effect transistorIGFETInsulated Gate Field Effect TransistorMOSMetal-Oxide-Semiconductor§1 結型場效應管一、結構結型場效應管有兩種結構形式。N型溝道結型場效應管和P型溝道結型場效應管。以N溝道為例。在一塊N型硅半導體材料的的兩邊，利用合金法、擴散法或其它工藝做成高濃度的P+型區(qū)，使之形成兩個PN結，然后將兩邊的P+型區(qū)連在一起，引出一個電極，稱為柵極G。在N型半導體兩端各引出一個電極，分別作為源極S和漏極D。夾在兩

27、個PN結中間的N型區(qū)是源極與漏極之間的電流通道，稱為導電溝道。由于N型半導體多數載流子是電子，故此溝道稱為N型溝道。同理，P型溝道結型場效應管中，溝道是P型區(qū)，稱為P型溝道，柵極與N型區(qū)相連。電路符號如圖所示，箭頭方向可理解為兩個PN結的正向導電方向。 二、工作原理從結型場效應管的結構可看出，我們在D、S間加上電壓UDS，則在源極和漏極之間形成電流ID。我們通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，則可以改變兩個PN結阻檔層(耗盡層)的寬度。由于柵極區(qū)是高摻雜區(qū)，所以阻擋層主要降在溝道區(qū)。故|UGS|的改變，會引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流ID。如|UGS|上

28、升，則溝道變窄，電阻增加，ID下降。反之亦然。所以改變UGS的大小，可以控制漏極電流。這是場效應管工作的基本原理，也是核心部分。下面我們詳細討論。1UGS對導電溝道的影響為了便于討論，先假設UDS=0。(a)UGS=0(b)UGS<0當UGS由零向負值增大時，PN結的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。(c)UGS=Up若UGS的負值再進一步增大，當UGS=Up時，兩個PN結的阻擋層相遇，溝道消失，我們稱溝道被“夾斷”了，UP稱為夾斷電壓，此時ID=0。2ID與UDS、UGS之間的關系假定：柵、源電壓|UGS|<|Up|，如UGS=1V，Up=4V。當UDS=2V時，溝道中將有電流ID

29、通過。此電流將沿著溝道方向產生一個電壓降，這樣溝道上各點的電位就不同，因而溝道內各點的電位就不同，因而溝道內各點與柵極的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如：UDG=UDSUGS=2(1)=3V，沿著溝道向下逐漸降低，源極端為最低，如：USG=UGS=1V，兩個PN結阻擋層將出現楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄。如下圖(a)所示。此時再增大UDS，由于溝道電阻增長較慢，所以ID隨之增加。預夾斷當進一步增加UDS，當柵、漏間電壓UGD等于Up時，即UGD=UGSUDS=Up則在D極附近，兩個PN結的阻擋層相遇，如下圖(b)所示。我們稱為預夾斷。如果繼續(xù)升高UD

30、S，就會使夾斷區(qū)向源極端方向發(fā)展，溝道電阻增加。由于溝道電阻的增長速率與UDS的增加速率基本相同，故這一期間ID趨于一恒定值，不隨UDS的增大而增大，此時，漏極電流的大小僅取決于UGS的大小。UGS越負，溝道電阻越大，ID便越小。當UGS=Up時，溝道被全部夾斷，ID=0，如下圖(c)所示。注意：預夾斷后還能有電流。不要認為預夾斷后就沒有電流。由于結型場效應管工作時，我們總是要柵源之間加一個反向偏置電壓，使得PN結始終處于反向接法，故ID0，所以，場效應管的輸入電阻rgs很高。三、特性曲線1、輸出特性曲線以UGS為參變量時，漏極電流ID與與漏、源電壓UDS之間的關系，稱為輸出特性，即根據工作情

31、況，輸出特性可劃分為四個區(qū)域?？勺冸娮鑵^(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，此區(qū)的特點是：固定UGS時，ID隨UDS增大而線性上升，相當于線性電阻；改變UGS時，特性曲線的斜率變化，相當于電阻的阻值不同，UGS增大，相應的電阻增大。恒流區(qū)。該區(qū)的特點是：ID基本不隨UDS而變化，僅取決于UGS的值，輸出特性曲線趨于水平，故稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)。擊穿區(qū)。位于特性曲線的最右部分，當UDS升高到一定程度時，反向偏置的PN結被擊穿，ID將突然增大。UGS愈負時，達到雪崩擊穿所需的UDS電壓愈小。當UGS=0時其擊穿電壓用BUDSS截止區(qū)。當|UGS|UP|時，管子的導電溝道處于完全夾斷狀態(tài)，ID=0

32、，場效應管截止。2、轉移特性曲線當漏、源之間電壓UDS保持不變時，漏極電流ID和柵、源之間電壓UGS的關系稱為轉移特性。即它描述了柵、源之間的電壓UGS對漏極電流ID的控制作用。由圖可見：UGS=0時，ID=IDSS漏極電流最大，稱為飽合漏極電流IDSS|UGS|增大，ID減小，當UGS=Up時，ID=0。Up稱為夾斷電壓。結型場效應管的轉移特性在UGS=0Up范圍內可用下面近似公式表示：根據輸出特性曲線可以做出轉移特性曲線。§2 絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管通常由金屬、氧化物和半導體制成，所以又稱為金屬-氧化物-半導體場效應管，簡稱為MOS場效應管。由于這種場效應管的柵極被絕緣層(

33、SiO2)隔離(所以稱為絕緣柵)。因此其輸入電阻更高，可達109以上。N溝道 P溝道 增強型 耗盡型 共有四種類型。一、N溝道增強型MOS場效應管1結構N溝道增強型MOS場效應管的結構示意圖如右圖所示。把一塊摻雜濃度較低的P型半導體作為襯底，然后在其表面上覆蓋一層SiO2的絕緣層，再在SiO2層上刻出兩個窗口，通過擴散工藝形成兩個高摻雜的N型區(qū)(用N+表示)，并在N+區(qū)和SiO2的表面各自噴上一層金屬鋁，分別引出源極、漏極和控制柵極。襯底上也引出一根引線，通常情況下將它和源極在內部相連。2工作原理結型場效應管是通過改變UGS來控制PN結的阻擋層寬窄，從而改變導電溝道的寬度，達到控制漏極電流ID

34、的目的。而絕緣柵場效應管則是利用UGS來控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流ID的目的。對N溝道增強型的MOS場效應管，當UGS=0時，在漏極和源極的兩個N+區(qū)之間是P型襯底，因此漏、源之間相當于兩個背靠背的PN結。所以無論漏、源之間加上何種極性的電壓，總是不導通的，ID=0。當UGS>0時，(為方便假定UDS=0)，則在SiO2的絕緣層中，產生了一個垂直半導體表面，由柵極指向P型襯底的電場。這個電場排斥空穴吸引電子，當UGS>UT時，在絕緣柵下的P型區(qū)中形成了一層以電子為主的N型層。由于源極和漏極均為N+型，故此N型層在漏、源

35、極間形成電子導電的溝道，稱為N型溝道。UT稱為開啟電壓，此時在漏、源極間加UDS，則形成電流ID。顯然，此時改變UGS則可改變溝道的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流ID的大小。由于這類場效應管在UGS=0時，ID=0，只有在UGS>UT后才出現溝道，形成電流，故稱為增強型。3特性曲線N溝道增強型場效應管，也用轉移特性、輸出特性表示ID、UGS、UDS之間的關系，如下圖所示。轉移特性：UGS <UT，ID=0；UGSUT，才有ID。UGSID；ID=10A時對應的UGS定義為開啟電壓UT。輸出特性：也可分為4個區(qū)，可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。二、N溝道耗

36、盡型MOS管1結構耗盡型MOS場效應管，是在制造過程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子，形成N型導電溝道，如右圖所示。襯底通常在內部與源極相連。2工作原理當UDS>0時，將產生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負，達到某一數值時溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS<UP溝道消失，稱為耗盡型。3特性曲線N溝道MOS耗盡型場效應管的特性曲線如下圖所示，也分為轉移特性和輸出特性。其

37、中：IDSS UGS=0時的漏極電流。UP  夾斷電壓，使ID=0對應的UGS的值。P溝道場效應管的工作原理與N溝道類似。我們不再討論。下面我們看一下各類絕緣柵場效應管(MOS場效應管)在電路中的符號。§3 場效應管的主要參數場效應管主要參數包括直流參數、交流參數、極限參數三部分。一、直流參數1飽合漏極電流IDSSIDSS是耗盡型和結型場效應管的一個重要參數。定義：當柵、源極之間的電壓UGS=0，而漏、源極之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時對應的漏極電流。2夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結型場效應管的重要參數。定義：當UDS一定時，使ID減小到某一個微小電流(如1A，50A)

38、時所需UGS的值。3開啟電壓UTUT是增強型場效應管的重要參數。定義：當UDS一定時，漏極電流ID達到某一數值(如10A)時所需加的UGS值。4直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產生的柵極電流之比，由于柵極幾乎不索取電流，因此輸入電阻很高，結型為106以上，MOS管可達1010以上。二、交流參數1低頻跨導gm此參數是描述柵、源電壓UGS對漏極電流的控制作用，它的定義是當UDS一定時，ID與UGS的變化量之比，即跨導gm的單位是mA/V。它的值可由轉移特性或輸出特性求得。在轉移特性上工作點Q外切線的斜率即是gm?；蛴奢敵鎏匦钥?，在工作點處作一條垂直橫坐標的直線(表示UDS=常數)，在

39、Q點上下取一個較小的柵、源電壓變化量UGS，然后從縱坐標上找到相應的漏極電流的變化量ID/UGS，則gm=ID/UGS。此外。對結型場效應管，可由 求得只要將工作點處的UGS值代入就可求得gm2極間電容場效應管三個極間的電容。包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個pF。三、極限參數1漏極最大允許耗散功率PDmPDm=IDUDS2漏源間擊穿電壓BUDS在場效應管輸出特性曲線上，當漏極電流ID急劇上升產生雪崩擊穿時的UDS。工作時，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。3柵源間擊穿電壓BUGS結型場效應管正常工作時，柵、源之間的PN結處于反向偏置狀態(tài)，若U

40、GS過高，PN結將被擊穿。對于MOS管，柵源極擊穿后不能恢復，因為柵極與溝道間的SiO2被擊穿屬破壞性擊穿。§4 場效應管的特點場效應管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性三極管相比，具有以下幾個特點：1、場效應管是一種電壓控制器件通過UGS來控制ID。而雙極性三極管是電流控制器件，通過IB來控制IC。2、場效應管輸入端幾乎沒有電流場效應管工作時，柵、源極之間的PN結處于反向偏置狀態(tài)，輸入端幾乎沒有電流。所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。而雙極性三極管，發(fā)射結始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，故b、e極間的輸入電阻較小。3、場效應管利用多子導電由于場效應管是利用多

41、數載流子導電的，因此，與雙極性三極管相比，具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性好而且存在零溫度系數工作點等特性。4、場效應管的源漏極有時可以互換使用由于場效應管的結構對稱，有時漏極和源極可以互換使用，而各項指標基本上不受影響。因此使用時比較方便、靈活對于有的絕緣柵場效應管，制造時源極已和襯底連在一起，則源極和漏極不能互換。5、場效應管的制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成每個MOS場效應管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管的5%，因此集成度更高。6、MOS管輸入電阻高，柵源極容易被靜電擊穿MOS場效應管的輸入電阻可高達1015，因此，由外界靜電感應所產生的電荷不易泄漏。而柵極上的SiO2絕緣層雙很薄，

42、這將在柵極上產生很高的電場強度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。7、場效應管的跨導較小組成放大電路時，在相同負載電阻下，電壓放大倍數比雙極性三極管低。§5 場效應管放大電路根據前面講的場效應管的結構和工作原理，和雙極性三極管比較可知，場效應管具有放大作用，它的三個極和雙極性三極管的三個極存在著對應關系即：G(柵極)b(基極)  S(源極)e(發(fā)射極)  D(漏極)c(集電極)所以根據雙極性三極管放大電路，可組成相應的場效應管放大電路。但由于兩種放大器件各自的特點，故不能將雙極性三極管放大電路的三極管簡單地用場效應管取代，組成場效應管放大電路。雙極性三極管是電流控制器

43、件，組成放大電路時，應給雙極性三極管設置偏置偏流，而場效應管是電壓控制器件，故組成放大電路時，應給場效應管設置偏壓，保證放大電路具有合適的工作點，避免輸出波形產生嚴重的非線性失真。一、靜態(tài)工作點與偏置電路由于場效應管種類較多，故采用的偏置電路，其電壓極性必須考慮。下面以N溝道為例進行討論。N溝道的結型場效應管只能工作在UGS<0的區(qū)域，MOS管又分為耗盡型和增強型，增強型工作在UGS>0，而耗盡型工作在UGS<0。1        1      &

44、#160; 自給偏壓偏置電路右圖給出的是一種稱為自給偏壓電路的偏置電路，它適用于結型場效應管或耗盡型場效應管。它依靠漏極電流ID在Re上的電壓降提供柵極偏壓。即UGS=IDRS同樣，在RS上要并聯一個足夠大的旁路電容。由場效應管的工作原理我們知道ID是隨UGS變化的，而現在UGS又取決于ID的大小，怎么確定靜態(tài)工作點的ID和UGS的值呢？一般可采用兩種方法：圖解法和計算法。圖解法首先，作直流負載線，由漏極回路寫出方程UDS=UDDID(RD+RS)由此在輸出特性曲線上做出直流負載線AB，將此直流負載線逐點轉到uGSiD坐標，得到對應直流負載線的轉移特性曲線CD，再由UGS=IDRS在轉移特性坐標中作另一條直線，兩線的交點即為Q點。計算法【例】電路如上頁圖，場效應管為3DJG，其輸出特性曲線如下圖所示，已知RD=2k，RS=1.2k，UDD=15V，試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點。解：寫出輸出回路的電壓電流方程，即直流負載線方程。UDS=UDDID(RD+RS)設