第2-2章三極管-場效應(yīng)管

P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，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(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：2.2結(jié)型場效應(yīng)管2.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理2.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？2.2.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。2.2.2結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理①vGS對溝道的控制作用當(dāng)vGS＜0時(shí)（以N溝道JFET為例）

當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。對于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。

vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。②vDS對溝道的影響作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDSiDg、d間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。

當(dāng)vDS增加到使vGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變③

vGS和vDS同時(shí)作用時(shí)當(dāng)VP<vGS<0時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對于同樣的vDS，

iD的值比vGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS=VP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，

所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？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。(b)N溝道結(jié)型FET轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型FET輸出特性曲線在放大區(qū)：2.2.3結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1.輸出特性2.轉(zhuǎn)移特性2.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管2.3.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)2.3.5

P溝道MOSFET2.3.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理

2.3.3N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線2.3.4N溝道耗盡型MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體三極管增強(qiáng)型（E型）耗盡型（D型）N溝道P溝道N溝道P溝道MOS管分類耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，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(shí)，沒有導(dǎo)電溝道L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L2.3.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極剖面圖符號(hào)G－柵極（基極）S－源極（發(fā)射極）D－漏極（集電極）B－襯底由于柵極通過SiO2層與襯底絕緣，故MOSFET又稱為絕緣柵場效應(yīng)管。（1）vGS對溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí)漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，無導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓時(shí)，不會(huì)形成電流。當(dāng)0<vGS<VT時(shí)產(chǎn)生電場，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，不會(huì)形成電流。當(dāng)vGS≥VT時(shí)在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有漏極電流iD產(chǎn)生。且外加的vGS越大，iD也越大。

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開啟電壓2.3.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理

在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴極性相反，故稱為反型層。（2）vDS對溝道的影響靠近漏極d處的電位升高電場強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSiD溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSiD溝道電位梯度當(dāng)vDS增加到使vGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。（2）vDS對溝道的影響在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變（2）vDS對溝道的影響（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)

vDS一定，vGS變化時(shí)給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。（4）正常放大時(shí)外加偏置電壓的要求:（1）輸出特性：①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。2.3.3N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線對于共源電路②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻②可變電阻區(qū)

n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時(shí)的iDV-I特性：輸入電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對于共源電路，即：（2）轉(zhuǎn)移特性vGS<VT時(shí)，iD=0vGS>VT時(shí)，iD=0隨vGS線性增加2.3.4N溝道耗盡型MOSFET在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)在P型表面感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流增強(qiáng)型輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線耗盡型IDSS稱為漏極飽和電流VP稱為夾斷電壓特性曲線PMOS管結(jié)構(gòu)和工作原理與NMOS管類似，但正常放大時(shí)所外加的直流偏置極性與NMOS管相反。PMOS管的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，制作方便；缺點(diǎn)是外加直流偏置為負(fù)電源，難與別的管子制作的電路接口。PMOS管速度較低，現(xiàn)已很少單獨(dú)使用，主要用于和NMOS管構(gòu)成CMOS電路。2.3.5

P溝道MOSFETP溝道MOSFET：耗盡型：當(dāng)vGS＝0

時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD≠0

增強(qiáng)型：當(dāng)vGS＝0

時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，iD＝0

電路符號(hào)耗盡型與增強(qiáng)型MOS管的差異N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管P溝道增強(qiáng)型各類場效應(yīng)管的特性曲線比較絕緣柵場效應(yīng)管各類場效應(yīng)管的特性曲線比較N溝道耗盡型P溝道耗盡型結(jié)型場效應(yīng)管各類場效應(yīng)管的特性曲線比較N溝道P溝道2.4場效應(yīng)管的主要參數(shù)管2.4.1直流參數(shù)2.4.2交流參數(shù)2.4.3極限參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)：1.開啟電壓VT

（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)vDS為某一固定值，使漏極電流為零時(shí)的vGS稱為夾斷電壓VP

。3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）

當(dāng)VGS=0時(shí)，VDS>|VP|時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。MOS管由于柵極絕緣，所以其輸入電阻非常大，理想時(shí)可認(rèn)為無窮大。交流參數(shù)：1.輸出電阻rds

低頻互導(dǎo)指漏極電流變化量與柵壓變化量的比值，代表轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率。當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，在線性放大區(qū)rds→∞

2.低頻互導(dǎo)gm

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)低頻互導(dǎo)gm

考慮到則其中對于N溝道增強(qiáng)型MOSFET：極限參數(shù)：1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

最大耗散功耗可由PDM=VDSID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。場效應(yīng)管使用時(shí)的注意點(diǎn)N襯底接高電位，P襯底接低電位。當(dāng)源極電位很高或很低時(shí)，為減輕源襯電壓對管子性能的影響，可將源極與襯底相連。FET的源極和漏極可互換，但當(dāng)源已與襯底相連時(shí)不能互換。由于FET的輸入電阻很大，易產(chǎn)生靜電擊穿，無論在存放和使用時(shí)，都不能將柵極懸空。同時(shí)，焊接時(shí)電烙鐵需有外接地線，以屏蔽交流電場，防止損壞管子。雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型，PNP型C與E不可倒置使用結(jié)型耗盡型：N溝道P溝道MOS增強(qiáng)型：N溝道P溝道