第3章 場(chǎng)效應(yīng)管1

場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的區(qū)別1.晶體管是電流控制元件；場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件。2.晶體管參與導(dǎo)電的是電子—空穴，因此稱其為雙極型器件；場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，因此稱其為單極型器件。3.晶體管的輸入電阻較低，一般102~104；場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻高，可達(dá)109~1014場(chǎng)效應(yīng)管的分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETMOS型場(chǎng)效應(yīng)管JFET第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路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(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管的用途場(chǎng)效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；二是當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路；三是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。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。3.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及工作

原理1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導(dǎo)電溝道

源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示

P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號(hào)符號(hào)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。2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)的工作原理在給出各種情況下的結(jié)型場(chǎng)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）VDS=0伏、VGS=0伏時(shí)JFET的工作狀態(tài)這種情況下兩個(gè)PN結(jié)處于零偏置狀態(tài)，它們中間的區(qū)域是導(dǎo)電溝道。而且導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬。用畫有黑色的斜線的區(qū)域表示達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的PN結(jié)。如圖所示。這時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻記為R1。（2）當(dāng)VDS=0伏時(shí)分別討論VGS分別為-1伏和Vp時(shí)JFET的工作狀態(tài)（2.1）VDS=0伏、│VGS│逐漸增加VGS=-1伏

如圖所示。畫有黑色的左斜線的區(qū)域所表示的PN結(jié)是沒有外加電壓源時(shí)自然形成的。外加電壓源VGS使PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，PN結(jié)的寬度增加，增加的這一部分用畫有紅色的右斜線的區(qū)域來表示。同時(shí)將電壓源VGS也畫成紅色，電壓源的符號(hào)和其產(chǎn)生的PN結(jié)均畫成紅色，對(duì)應(yīng)關(guān)系一目了然（因?yàn)楹诎讏D無法表示出顏色，所以在圖2中用文字加以說明）。此時(shí)導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬，但比沒有電壓源VGS作用時(shí)的導(dǎo)電溝道要窄一些。這時(shí)的導(dǎo)電溝道的電阻用R2表示。R2要大于R1。（2.2)VDS=0伏、│VGS│逐漸增加至VGS=Vp

當(dāng)│VGS│逐漸增加至VGS=Vp時(shí)（不妨取Vp=-3伏），由VGS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(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。如圖3所示。Vp是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)參數(shù)，稱為夾斷電壓。不同管子的夾斷電壓的值是不同的。（2.3）

VDS=0伏、│VGS│繼續(xù)增加結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入擊穿狀態(tài)VGS增加使PN結(jié)上的反偏電壓超過V（BR）DS時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)。（3）當(dāng)VGS=0伏時(shí)分別討論VDS由小變大的過程中JFET的幾種工作狀態(tài)（3.1）VGS=0伏、VDS的值比較小時(shí)

如圖4所示，在課件中，電壓源VDS用藍(lán)色的線條表示，由它產(chǎn)生的PN結(jié)也對(duì)應(yīng)的用藍(lán)色的線條表示（在圖4中用文字來說明）。因?yàn)閂GS=0伏，所以VGS對(duì)PN結(jié)的寬度沒有影響，如前所述，此時(shí)導(dǎo)電溝道最寬，相應(yīng)的等效電阻為R1。電壓源VDS使電流沿導(dǎo)電溝道從漏極流向源極，從而引起漏極到源極的導(dǎo)電溝道上有電位降，VDS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓，靠近漏極的區(qū)域反偏電壓大，靠近源極的區(qū)域反偏電壓小，導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當(dāng)VDS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)為是線性電阻。這時(shí)VDS和iD的關(guān)系可以用圖7輸出特性曲線中過原點(diǎn)的OA直線段表示?？梢赃@么說，當(dāng)導(dǎo)電溝道在預(yù)夾斷之前JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出特性曲線的線性電阻區(qū)。（3.2)VGS=0伏、VDS的值增加至│Vp│時(shí)

如圖所示，當(dāng)VDS的值增加至│Vp│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)溝道中的電流為所有可能的最大的電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS。（3.3)VGS=0伏、VDS繼續(xù)增加

如圖所示，當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，PN結(jié)相接的區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴(kuò)展，導(dǎo)電溝道被夾斷的這部分區(qū)域?qū)?yīng)的電阻可以近似認(rèn)為是無窮大，但是此時(shí)在靠近源極的區(qū)域?qū)щ姕系肋€存在，與被夾斷的區(qū)域所呈現(xiàn)的電阻相比，此導(dǎo)電溝道對(duì)應(yīng)的電阻比較小，所以當(dāng)電壓源VDS增加時(shí)，可以近似認(rèn)為漏極電流不隨VDS的增加而增加。可以這樣來解釋，電壓源VDS增加的部分幾乎全部落在前一部分上，導(dǎo)電溝道上的電壓幾乎不變，所以漏極電流幾乎不變，處于飽和狀態(tài)，此時(shí)的電流仍然是IDSS，JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖7輸出特性曲線中的AB段。此區(qū)域稱為恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）。此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管可當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路。（3.4)VGS=0伏、VDS繼續(xù)增加至V（BR）DS

PN結(jié)上的反偏電壓超過某值時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)，如圖7中的B點(diǎn)所示。此時(shí)的VDS值為最大漏源電壓，記為V（BR）DS。(4)當(dāng)VGS=-1伏（即│VGS│<│Vp│的某個(gè)值）時(shí)VDS由小變大時(shí)JFET的狀態(tài)(4.1)VGS=-1伏、VDS的值比較小時(shí)電壓源VGS畫成紅色，標(biāo)有紅色的右斜線的區(qū)域表示VGS=-1伏產(chǎn)生的PN結(jié)，紅色的電壓源符號(hào)與紅色的PN結(jié)對(duì)應(yīng)。如前所述，此時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻為R2。電壓源VDS使電流沿導(dǎo)電溝道從漏極流向源極，從而引起漏極到源極的導(dǎo)電溝道上有電位降，VDS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓，靠近漏極的區(qū)域反偏電壓大，靠近源極的區(qū)域反偏電壓小，導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。因?yàn)閂DS的值比較小，所以導(dǎo)電溝道還沒有被夾斷。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R2，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻的性質(zhì)。JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖11中過原點(diǎn)的OM直線段?？梢赃@么說，導(dǎo)電溝道在預(yù)夾斷之前可以等效成一個(gè)線性電阻。(4.2)VGS=-1伏、VDS的值增加至某值開始出現(xiàn)預(yù)夾斷

如圖所示，當(dāng)VDS的值增加至某值（此值比│Vp│?。r(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│VGS│+VDS=│Vp│。JFET的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖11輸出特性曲線中的M點(diǎn)。M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VDS值比A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VDS值小，因?yàn)閂DS=│Vp│-│VGS│<│Vp│。(4.3)VGS=-1伏、VDS的值繼續(xù)增加如圖所示，當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，兩邊PN結(jié)相接的區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴(kuò)展，這部分區(qū)域?qū)?yīng)的電阻可以認(rèn)為是無窮大。此時(shí)導(dǎo)電溝道在靠近源極的區(qū)域依然存在，導(dǎo)電溝道對(duì)應(yīng)的電阻比較小。漏極電流不隨VDS的增加而增加，可以這樣來解釋，電壓源VDS增加的部分幾乎全部落在前一部分上，導(dǎo)電溝道上的電壓幾乎不變。所以漏極電流幾乎不變，處于飽和狀態(tài)。此時(shí)JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出特性曲線中的MN段。此區(qū)域稱為恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）。此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管可當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路。(4.4）VGS=-1伏、VDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結(jié)擊穿VGS和VDS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，VDS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(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入反向擊穿狀態(tài)，此時(shí)的VDS值比VGS=0時(shí)出現(xiàn)反向擊穿的VDS小。(5)當(dāng)VGS≤VP時(shí)JFET處于截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)VGS≤VP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VGS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(chǎng)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VDS記為VDS（sat），VDS（sat）≤│Vp│。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的講解與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的講解過程幾乎完全相同，只是導(dǎo)電溝道的形成原理稍有不同。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(chǎng)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。

JFET是利用PN結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度的控制，來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流的大小。3、場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線(1)輸出特性曲線

(2)轉(zhuǎn)移特性曲線#

JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？VP①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：③低頻跨導(dǎo)gm：或主要參數(shù)漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rd：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型3.3絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

的結(jié)構(gòu)及工作原理MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管分類增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管一N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管特性曲線一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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管二、N溝道增強(qiáng)型MOS的工作原理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(chǎng)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）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)++--++--++++----反型層（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（2.3）當(dāng)VDS=0V，VGS>VT時(shí),溝道加厚++--++--++++----反型層開始時(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（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vDS(V)iD(mA)（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)（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(zhǎng)的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。vDS(V)iD(mA)三、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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/V耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管特性曲線一、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)+++++++耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)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