模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)-第1章-常用半導(dǎo)體器件-14-場效應(yīng)管課件

1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第1章常用半導(dǎo)體器件1.4場效應(yīng)管1/17/2023作業(yè)1-141-151-161/17/2023場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法場效應(yīng)管的分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述1/17/2023場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。三是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是當(dāng)作電流控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。1/17/2023場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。場效應(yīng)管的柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管的基極、集電極、發(fā)射極對(duì)應(yīng)。場效應(yīng)管與雙極型三極管的工作原理不同,但作用基本相同。場效應(yīng)管還可以當(dāng)作非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。1/17/2023N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管FET結(jié)型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應(yīng)管的分類1/17/2023一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導(dǎo)電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極1/17/2023二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)的工作原理參考方向做如下約定:1/17/2023（1）電壓源UGS和電壓源UDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源UGS起作用，電壓源UDS的電壓值為0；（3）只有電壓源UDS起作用，電壓源UGS的電壓值為0；（4）電壓源UGS和電壓源UDS同時(shí)起作用。在給出各種情況下的結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時(shí)，同時(shí)畫出對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線。特別注意:電壓參考方向和電流參考方向的約定方法。參考方向可以任意約定,不同的約定方法得到不同樣式的特性曲線.書上的特性曲線是按前面的方法來約定參考方向的。按照如下的思路來講解：1/17/2023（2）在UDS=0伏的前提下：│UGS│從0伏逐漸增加過程中，JFET的工作狀態(tài)（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐漸增加UGS=-1伏

此時(shí)導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬這時(shí)的導(dǎo)電溝道的電阻用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓1/17/2023（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐漸增加至UGS=Up（夾斷電壓）當(dāng)│UGS│逐漸增加至UGS=Up時(shí)（不妨取Up=-3伏），由UGS產(chǎn)生的PN結(jié)左右相接，使導(dǎo)電溝道完全被夾斷。這時(shí)的結(jié)型場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)管的一個(gè)參數(shù)，稱為夾斷電壓。1/17/2023

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入擊穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)上的反偏電壓超過U（BR）DS時(shí)，結(jié)型場效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)。1/17/2023導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當(dāng)UDS比較小時(shí)

，導(dǎo)電溝道不會(huì)被夾斷。在導(dǎo)電溝道沒有被夾斷之前，可以近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R1，此時(shí)導(dǎo)電溝道可以認(rèn)為是一個(gè)線性電阻。1/17/2023（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│時(shí)

PN結(jié)在靠近漏極的一點(diǎn)最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷。對(duì)應(yīng)輸出特性曲線中的A點(diǎn)。此時(shí)溝道中的電流為可能的最大的電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS。1/17/2023（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加

1/17/2023（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DS

PN結(jié)上的反偏電壓超過某值時(shí)，結(jié)型場效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)，如圖中的B點(diǎn)所示。此時(shí)的UDS值為最大漏源電壓，記為U（BR）DS。1/17/2023(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│的某個(gè)值）的前提下，當(dāng)UDS由小變大時(shí)，JFET的狀態(tài)(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比較小時(shí)導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R2，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻的性質(zhì)。1/17/2023(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值開始出現(xiàn)預(yù)夾斷

如圖所示，當(dāng)UDS的值增加至某值（此值比│Up│小）時(shí)，兩邊的PN結(jié)在靠近漏極的某點(diǎn)最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷,在此點(diǎn)有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出特性曲線中的M點(diǎn)。M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的UDS值比A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的UDS值小，因?yàn)閁DS=│Up│-│UGS│<│Up│。1/17/2023(4.4）UGS=-1伏、UDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結(jié)擊穿UGS和UDS電壓源分別使PN結(jié)反偏，它們共同作用使靠近漏極的PN結(jié)承受最大的反偏電壓，UDS增加使PN結(jié)上的反偏電壓過大時(shí)，在靠近漏極的區(qū)域首先出現(xiàn)反向擊穿。結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入反向擊穿狀態(tài)，此時(shí)的UDS值比UGS=0時(shí)出現(xiàn)反向擊穿的UDS小。1/17/2023(5)當(dāng)UGS≤UP時(shí)，JFET處于截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)UGS≤UP時(shí)，導(dǎo)電溝道全部被夾斷，JFET處于截止?fàn)顟B(tài)，在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個(gè)狀態(tài),對(duì)應(yīng)于開關(guān)斷開。

不同UGS下預(yù)夾斷點(diǎn)相連成一條曲線，此曲線與縱軸相夾的區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。此時(shí)場效應(yīng)管當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用?？勺冸娮鑵^(qū)在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個(gè)狀態(tài)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，此時(shí)的UDS記為UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。1/17/2023JFET的三個(gè)狀態(tài)恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)1/17/2023場效應(yīng)管的應(yīng)用小結(jié)

一是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用，VGS的絕對(duì)值越大，導(dǎo)電溝道就越窄，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電溝道電阻越大，即電壓VGS控制電阻的大小，管子工作在可變電阻區(qū)，當(dāng)作壓控可變電阻使用時(shí)，導(dǎo)電溝道還沒有出現(xiàn)預(yù)夾斷；二是當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路，VGS電壓控制漏極電流的大小，控制比例系數(shù)為gm,VGS電壓的絕對(duì)值越大，漏極電流越小，管子工作在恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)），此時(shí)導(dǎo)電溝道已經(jīng)出現(xiàn)預(yù)夾斷，夾斷區(qū)域向漏極方向延伸，但是仍然留存一部分導(dǎo)電溝道；三是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件，管子工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)，有兩個(gè)明確、穩(wěn)定的狀態(tài)。漏極和源極相當(dāng)于開關(guān)的兩個(gè)觸點(diǎn)，在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，在截止區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)斷開，場效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)無觸點(diǎn)的開關(guān)。1/17/2023第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理一、IGFET的結(jié)構(gòu)1/17/2023MOS場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型的MOS管P溝道增強(qiáng)型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管MOS場效應(yīng)管分類1/17/20231/17/20231/17/2023二、增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管一N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道增強(qiáng)型MOS的工作原理三N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲線1/17/2023一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E絕緣柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管1/17/2023P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1/17/2023二、N溝道增強(qiáng)型MOS的工作原理1/17/2023按照如下的思路來講解：（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0；（4）電壓源VGS和電壓源VDS同時(shí)起作用。在給出各種情況下的MOS場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時(shí)，同時(shí)畫出對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線。1/17/2023（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；當(dāng)VGS=0V，VDS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)1/17/2023（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（2.1）當(dāng)VDS=0V，VGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。（2.2）當(dāng)VDS=0V，當(dāng)VGS=VT時(shí)，在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道1/17/2023（2.3）當(dāng)VDS=0V，VGS>VT時(shí),溝道加厚開始時(shí)無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管1/17/2023（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為大于開啟電壓的某值（3.1）電壓源VDS的值較小導(dǎo)電溝道在靠近源極的一邊較寬，導(dǎo)電溝道在靠近漏極的一邊較窄，呈現(xiàn)楔型，此時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻近似認(rèn)為與平行等寬時(shí)的一樣。對(duì)應(yīng)特性曲線的可變電阻區(qū)電壓源VDS的作用使導(dǎo)電溝道有電流流通，電流的流通使導(dǎo)電溝道從漏極到源極有電位降1/17/2023（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0（3.2）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT導(dǎo)電溝道在靠近漏極的一點(diǎn)剛開始出現(xiàn)夾斷，稱為預(yù)夾斷。此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。vDS(V)iD(mA)1/17/2023（3.3）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導(dǎo)電溝道夾斷的區(qū)域向源極方向延伸，對(duì)應(yīng)特性曲線的飽和區(qū)，VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。vDS(V)iD(mA)1/17/2023三、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強(qiáng)型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特性曲線vDS(V)iD(mA)當(dāng)vGS變化時(shí)，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時(shí)，iD基本不隨vDS變化而變化。vGS/V1/17/2023三、耗盡型MOS場效應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道耗盡型MOS的工作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線1/17/2023一、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1/17/2023P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1/17/2023二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理

當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流iD,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當(dāng)VGS＞0時(shí),將使iD進(jìn)一步增加。當(dāng)VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至iD=0，對(duì)應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VP表示。VGS(V)iD(mA)VPN溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS>0N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在VGS>01/17/2023三、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線VGS(V)iD(mA)VP轉(zhuǎn)移特性曲線1/17/2023場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.夾斷電壓VP：是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)三極管當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。1.開啟電壓VT：MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。4.