常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院主講：趙建輝章常用半導(dǎo)體器件

(3.場效應(yīng)管)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型晶體管1.4場效應(yīng)管1.5單結(jié)晶體管和晶閘管1.6集成電路中的元件第1章常用半導(dǎo)體器件本節(jié)課內(nèi)容自學(xué),不要求常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!1.4場效應(yīng)管(FET)重點：場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)、放大原理、特性曲線。難點：1.場效應(yīng)管電流溝道2.輸出曲線和轉(zhuǎn)移曲線3.場效應(yīng)管主要參數(shù)及意義重點難點1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)1.4.3場效應(yīng)管主要參數(shù)1.4.4場效應(yīng)管與晶體管的比較常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)分類：耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道P溝道常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!一、JEFT工作原理①UGS對溝道的控制作用（UDS=0）②UDS對溝道的影響（0<UGS<UGS(off)）UGS=0UGS(OFF)<UGS＜0UGS=UGS(OFF)|UGS

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增加耗盡層加厚溝道變窄溝道電阻增大（注意：對N-JEFT,UGS<0，柵源極反偏）全夾斷（夾斷電壓）常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!2.工作原理③UGS和UDS同時作用時常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!0iDuGSUGS(off)N溝道JFET管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線iDuDS0輸出特性曲線UGS=0VIDOUGS=UGS(off)IDSS予夾斷軌跡夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)飽和漏極電流夾斷電壓常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!綜上分析可知（結(jié)論）（1）當(dāng)UDS使|UGD|<|UGS(OFF)|時，預(yù)夾斷前，iD與vDS呈近似線性關(guān)系（可變電阻區(qū)域）；（2）當(dāng)UDS使|UGD|=|UGS(OFF)|時，D-S間預(yù)夾斷。（3）當(dāng)UDS使|UGD|>|UGS(OFF)|時,預(yù)(未完全)夾斷，iD趨于恒定飽和，iD只受到UGS控制，與UDS無關(guān)（壓控電流源）。（4）完全夾斷，iD=0,相當(dāng)三極管截止。

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此

iG0，輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，iD受UGS控制，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)管也稱為單極型三極管。柵源電壓對漏極電流的跨導(dǎo)：常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)與符號箭頭方向？中間虛線意思？？金屬鋁常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

N溝道增強(qiáng)型MOSFET3.工作原理

UGS=0UGD<UGS(th)UGS

>UGS(th)UGD=UGS(th)UDS=0UGS>UGS(th)sdBg

sdBg

sdBg

sdBgN+N+N+N+N+N+N+PPPP耗盡層耗盡層反型層UGS0IDUGS(th)UDS↑常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!N溝道增強(qiáng)型MOS管N溝道耗盡型MOS管二、N溝道耗盡型MOSFET虛線表示初試無溝道摻入正離子常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!各種FET的特性比較結(jié)型場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型注意P型與書上象限不同?。≒43）常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型注意P型與書上象限不同?。≒43）常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!1.4.3場效應(yīng)管主要參數(shù)一、直流參數(shù)：（1）開啟電壓UGS(th)或VT：

開啟電壓是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，UDS為常數(shù)使iD為規(guī)定電流（5μA）時的UGS。柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。（2）夾斷電壓UGS(off)(或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，UDS為常數(shù)使iD為規(guī)定電流（5μA）時的UGS。當(dāng)VGS=VGS(off)時,漏極電流為零。（3）飽和漏極電流IDSS

耗盡型FET,當(dāng)UGS=0時,產(chǎn)生預(yù)夾斷時漏極電流。（4）輸入電阻RGS輸出電阻rDS柵源輸入電阻，結(jié)型FET，反偏時RGS≈107Ω，對于絕緣柵型FET,RGS≈109～1015Ω。常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!三、極限參數(shù)：(1)最大漏極電流IDM(2)擊穿電壓：漏源擊穿電壓U(BR)DS,柵源擊穿U(BR)GS(3)最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=V(BR)DS*IDM決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道結(jié)構(gòu)C與E一般不可倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移(2種)多子漂移（一種）輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)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FET與BJT性能比較常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!1.場效應(yīng)管種類很多，主要有結(jié)型和絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型有N溝道和P溝道兩種，N溝道在UGS<0下工作，P溝道在UGS>0下工作絕緣柵場效應(yīng)管有N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型四種類型。增強(qiáng)型不存在原始導(dǎo)電溝道，UGS只在單一極性或正或負(fù)工作；而耗盡型存在原始溝道，UGS可正可負(fù)。2.場效應(yīng)管是單極型電壓控制器件，輸入電阻高，一般可達(dá)109。小結(jié)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!場效應(yīng)管(FET,FeiledEffictiveTrsnsister)

利用輸入回路電壓控制輸出回路電流的半導(dǎo)體器件（壓控器件）。僅靠一種（而非兩種）多數(shù)載流子（漂移）導(dǎo)電，又稱單極性晶體管；從參與導(dǎo)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。

特點：輸入電阻高：107~1012

?

；體積小、重量輕、壽命長、噪聲低、熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)、低功耗，易加工。1.4場效應(yīng)管問題的引出：BJT：電流控制，be結(jié)正偏，rbe較小，吸收功率，如何進(jìn)一步提高ri

常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!1.結(jié)構(gòu)N型導(dǎo)電溝道漏極D(d)源極S(s)溝道電阻——長度、寬度、摻雜P+P+反偏的PN結(jié)(柵源極反偏)——反偏電壓控制耗盡層結(jié)構(gòu)特點:空間電荷區(qū)（耗盡層）柵極G(g)結(jié)構(gòu)與符號1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)N箭頭向內(nèi)表示N溝道常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!②uDS對溝道的影響（0<UGS<UGS(OFF)）UDS

ID，GD間PN結(jié)的反向電壓增加,使靠近漏極處的耗盡層加寬,呈楔形分布（可變電阻）。UGD=VGS(OFF)時，在靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。

UDS夾斷區(qū)延長,但I(xiàn)D基本不變(恒流特性)—平衡作用UGD>UGS(OFF)UGD=UGS(OFF)UGD<UGS(OFF)（UGD=UGS-USD）常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!2.轉(zhuǎn)移特性1.輸出特性二、N溝道JEFT特性曲線UGS(off)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線P溝道JEFT特性曲線予夾斷曲線iDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)0uGS0iDIDSSUGS(off)飽和漏極電流夾斷電壓UGS(off)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）1.4.2絕緣柵型場效應(yīng)管(IGFET)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!2.溝道形成原理（N溝增強(qiáng)型）當(dāng)柵極正電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)時，柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。少子數(shù)量有限，不足以形成溝道，不能形成漏極電流ID。進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)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。導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!0iDuGSUGS(th)4.N溝道增強(qiáng)型FET管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線iDuGS0輸出特性曲線UGS=2UGS(th)IDOUGS=UGS(th)IDO2UGS(th)予夾斷軌跡可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!N溝道耗盡型FET管的特性曲線耗盡型的MOS管UGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。耗盡型的MOS管UGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。輸入可正可負(fù)。0iDuGSiDuDS0iD轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線UGS=0IDSSUGS=UGS(off)IDSSUGS(off)予夾斷軌跡可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型注意P型與書上象限不同！（P43）常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性增強(qiáng)型(b)輸出特性場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性綜合對比常用半導(dǎo)體器件場效應(yīng)管及應(yīng)用共32頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!二、交流參數(shù)：⑤低頻跨導(dǎo)gm

反映了柵壓對漏極電流的控制作用，與三極管的控制作用