模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章常用半導(dǎo)體器件14場(chǎng)效應(yīng)管.ppt

1、2020/9/7,1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理,1.4.2 絕緣柵場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管,2020/9/7,作業(yè),1-14 1-15 1-16,2020/9/7,場(chǎng)效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景 場(chǎng)效應(yīng)管的用途 場(chǎng)效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法 場(chǎng)效應(yīng)管的分類,第一節(jié) 場(chǎng)效應(yīng)管概述,2020/9/7,場(chǎng)效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景,1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明的雙極型三極管代替了真空管，解決了當(dāng)時(shí)電話信號(hào)傳輸中的放大問題。但是這種放大電路的輸入電阻還不夠大，性能還不夠好。因此，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家繼續(xù)研究新型的三極管，在1960年發(fā)明了場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比雙

2、極型三極管要大得多,場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理與雙極型三極管不同。,2020/9/7,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。,2020/9/7,場(chǎng)效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法,學(xué)習(xí)中不要把場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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。

3、場(chǎng)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。,2020/9/7,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,IGFET ( MOSFET ) 絕緣柵型,場(chǎng)效應(yīng)管的分類,一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理,三、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 及參數(shù),第二節(jié) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理,一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu),G,S,D,導(dǎo)電溝道,G,S,D,N溝道JFET,P溝道JFET,柵極,漏極,源極,2020/9/7,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)的工作原理,參考方向做如下約定:,2020/9/7,（1）電壓源UGS和電壓源UDS都不起作用，電

4、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(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。,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：,2020/9/7,（1） UDS =0伏、UGS = 0伏時(shí)JFET的工作狀態(tài),導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬。 最寬,這時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻記為R1。,2020/9/7,（

5、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R1,UGS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓,2020/9/7,（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(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。 Up是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)參數(shù)，稱為夾斷電壓。,2020/9/7,（2.3） UDS =0伏:U

6、GS繼續(xù)增加，結(jié)型場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)。,2020/9/7,（3） 在UGS =0伏的前提下，分別討論UDS 由小變大的過程中JFET的幾種工作狀態(tài),（3.1 ） UGS =0伏:UDS的值比較小時(shí),UDS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓,2020/9/7,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。,2020/9/7,（3.2) UGS =0伏、UDS的值增加至Up時(shí),PN結(jié)

7、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 。,2020/9/7,（3.3) UGS =0伏、UDS繼續(xù)增加,2020/9/7,當(dāng)電壓源UDS增加時(shí)，可以近似認(rèn)為漏極電流不隨UDS的增加而增加。此時(shí)的電流仍然是IDSS，JFET管的狀態(tài)稱為恒流狀態(tài)（放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)）。 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。,2020/9/7,（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(chǎng)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

8、，記為U（BR）DS 。,2020/9/7,(4) 在UGS = -1伏（即UGSUp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)。,2020/9/7,(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?。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

9、UDS值小，因?yàn)閁DS=Up-UGSUp。,2020/9/7,(4.3) UGS = -1伏、UDS的值繼續(xù)增加,當(dāng)UDS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，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UDS的增加而增加。,2020/9/7,(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(chǎng)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。,

10、2020/9/7,(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(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用。可變電阻區(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。,2020/9/7,JFET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),2020/9/7,小結(jié),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

11、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。,思考：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。,2020/9/7,場(chǎng)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

12、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(chǎng)效應(yīng)管相當(dāng)于一個(gè)無觸點(diǎn)的開關(guān)。,2020/9/7,第三節(jié) 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理,一、 IGFET的結(jié)構(gòu),2020/9/7,MOS場(chǎng)效應(yīng)管分類,2020/9/7,2020/

13、9/7,2020/9/7,二、 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,2020/9/7,一、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,2020/9/7,P溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),2020/9/7,二、 N溝道增強(qiáng)型MOS的工作原理,2020/9/7,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

14、）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。,2020/9/7,（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),2020/9/7,（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,2020/9/

15、7,（2.3） 當(dāng)VDS=0V，VGSVT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,2020/9/7,（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,2020/9/7,（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=

16、VGSVDS =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。,2020/9/7,（3.3）電壓源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS 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。,2020/9/7,三、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,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。,vG

17、S/V,2020/9/7,三、 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,2020/9/7,一、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),2020/9/7,P溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu),2020/9/7,二、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)VGS0時(shí),將使iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)VGS0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。,N溝道耗盡型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在VGS0,2020/9/7,三、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線,輸出特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線,2020/9/7,場(chǎng)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(chǎng)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：