勞動(dòng)第三版電子電路基礎(chǔ)-第一章 常用半導(dǎo)體器件13

§1-3

場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管是通過改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。它不僅具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。因而，在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

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JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的相同點(diǎn)：都可以放大信號(hào)在晶體三極管中，基極輸入電流的大小直接影響輸出電流的大小，這是一種電流控制型器件。場(chǎng)效應(yīng)管則是一種電壓控制型器件，它是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出電流的。

輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻.

定義為輸入電壓有效值Ui和輸入電流有效值Ii之比，即Ri，Ri越大，表明放大電路從信號(hào)源索取的電流越小，放大電路所得到的輸入電壓Ui越接近信號(hào)源電壓Us。然而，若信號(hào)源內(nèi)阻Rs是常量，為使輸入電流大一些，則應(yīng)使Ri小一些。因此，放大電路輸入電阻的大小要視需要而設(shè)計(jì)。

N溝道P溝道增強(qiáng)型（EMOS)耗盡型(DMOS)N溝道(NMOS)P溝道(PMOS)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)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管一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管漏極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管當(dāng)UGS較小時(shí)，iD≈0。當(dāng)UGS=UT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，在VDS的作用下形成iD。二、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理增強(qiáng)型MOS管VDSiD++--++--++++----VGS反型層在漏源間加正向電壓uDS，當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間沒有導(dǎo)電溝道，無論UDS之間加什么電壓都不會(huì)在D、S間形成電流iD,即iD≈0.當(dāng)VGS>VT時(shí),溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進(jìn)一步增加。開始時(shí)無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管

MOSFET是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

當(dāng)UGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓VDS的不同變化對(duì)導(dǎo)電溝道和漏極電流ID的影響。VDS=VDG＋VGS

=－VGD＋VGS

VGD=VGS－VDS

當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGD＞VT,此時(shí)VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在VDS作用下形成ID增強(qiáng)型MOS管另一方面，漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，當(dāng)VDS增加到VGD

VT時(shí)，增強(qiáng)型MOS管

這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。

此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。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。另一方面，漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用VGD=VGS－VDS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(UGS)

UDS=C

轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(UDS)

UGS=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/VP溝道增強(qiáng)型MOS管

如果在制作MOS管時(shí)采用N型硅作襯底，漏源極為P型，則導(dǎo)電溝道為P型。正常工作時(shí)，uDS

和uGS

都必須為負(fù)值。一、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管+++++++

耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道耗盡型MOS管二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS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)UGS＞0時(shí),將使iD進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS＜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UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UP表示。VGS(V)iD(mA)VPN溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在UGS>0耗盡型MOS管三、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線輸出特性曲線VGS(V)iD(mA)VP轉(zhuǎn)移特性曲線各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

飽和區(qū)（放大區(qū)）外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型

UDS極性取決于溝道類型N溝道：UDS>0，P溝道：UDS<0

UGS極性取決于工作方式及溝道類型增強(qiáng)型MOS管：

UGS

與UDS

極性相同。耗盡型MOS管：

UGS

取值任意。場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)2.夾斷電壓UP：是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=UP時(shí),漏極電流為零。3.飽和漏極電流IDSS

耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。1.開啟電壓UT：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(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。4.直流輸入電阻RGS:柵源間所加的恒定電壓UGS與流過柵極電流IGS之比。結(jié)型:大于107Ω，絕緣柵:109～1015Ω。5.漏源擊穿電壓U(BR)DS:使ID開始劇增時(shí)的UDS。6.柵源擊穿電壓U(BR)

GSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓7.低頻跨導(dǎo)gm

：當(dāng)UDS一定時(shí)，iD的變化量與UGS的變化量之比，反映了柵源壓對(duì)漏極電流的控制作用。單位是S（西門子）或mS.4.2MOS場(chǎng)效應(yīng)管8.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容

Csd

—源極與漏極間電容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)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(2)轉(zhuǎn)移特性VP(1)輸出特性結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)的特性曲線及參數(shù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管與三極管性能比較項(xiàng)目

器件電極名稱工作區(qū)導(dǎo)電類型輸入電阻跨導(dǎo)三極管e極b極c極放大區(qū)飽和區(qū)雙極型小大場(chǎng)效應(yīng)管s極g極d極恒流區(qū)可變電阻區(qū)單極型大小比較內(nèi)容

場(chǎng)效應(yīng)管

三極管

導(dǎo)電機(jī)理

只依靠一種載流子（多子）參與導(dǎo)電，為單極型器件。

兩種載流子（多子和少子）參與導(dǎo)電，為雙極型器件。

放大原理輸入電壓控制輸出電流，gm=0.1ms~20ms輸入電流控制輸出電流，例如，β=20~100特

點(diǎn)

1.制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成。2.熱穩(wěn)定性好，噪聲低。

3.輸入電阻高，柵極電流iG≈0。

4.gm小，放大能力較低。

1.受溫度等外界影響較大，噪聲大。

2.輸入電阻低（因發(fā)射結(jié)正偏）。

3.β較大，放大能力強(qiáng)

·

由于結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，使場(chǎng)效應(yīng)管具有一些不同于三極管的特點(diǎn)。將兩者結(jié)合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可改善和提高放大電路的某些性能指標(biāo)。

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路主要有共源、共柵和共漏三種基本組態(tài)放大器。

場(chǎng)效應(yīng)管的命名法

國(guó)產(chǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的型號(hào)命名方法有兩種：第一種命名方法與普通三極管相同，第一部分用數(shù)字3表示主稱；第二部分用字母表示材料，D表示P型硅N溝道，C表示N型硅P溝道；第三部分用字母表示管子種類，字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管；第四部分用數(shù)字表示序號(hào)。例如，3DJ6D表示結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3D06C表示絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法采用字母“CS”＋“××?！钡男问?，其中“CS”代表場(chǎng)效應(yīng)管，“××”以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，“?！庇米帜复硗恍吞?hào)中的不同規(guī)格，如CS16A、CS55G等結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)

1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別：

場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極分別對(duì)應(yīng)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(cè)量每?jī)蓚€(gè)管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個(gè)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)KΩ時(shí)，則這兩個(gè)管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個(gè)管腳即為柵極G。對(duì)于有4個(gè)管腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(gè)電極，紅表筆分別碰觸另外兩個(gè)電極。若兩次測(cè)出