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1、2023/10/29,1.4.1 结型场效应管的结构和工作原理,1.4.2 绝缘栅场效应管的结构和工作原理,第1章 常用半导体器件,1.4 场效应管,2023/10/29,作业,1-141-151-16,2023/10/29,场效应管出现的历史背景场效应管的用途场效应管的学习方法场效应管的分类,第一节 场效应管概述,2023/10/29,场效应管出现的历史背景,1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电
2、阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三极管不同。,2023/10/29,场效应管的用途,场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；,双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。,2023/10/29,场效应管的学习方法,学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。场
3、效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。,2023/10/29,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,IGFET(MOSFET)绝缘栅型,场效应管的分类,一、结型场效应管的结构,二、结型场效应管的工作原理,三、结型场效应管的特性曲线及参数,第二节 结型场效应管(JFET)的结构和工作原理,一、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,G,S,D,N沟道JFET,P沟道JFET,栅极,漏极,源极,2023/10/29,二、结型场效应管（JFET)的工作原理,参考方向做如下约定:,2023/10/29,（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电
4、压值均为0；（2）只有电压源UGS起作用，电压源UDS的电压值为0；（3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0；（4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。,在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。,特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。,按照如下的思路来讲解：,2023/10/29,（1）UDS=0伏、UGS=0伏时JFET的工作状态,导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽,这时导电沟道的电阻记为R1。,2023/10/29,（2）在UD
5、S=0伏的前提下：UGS 从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态,（2.1）UDS=0伏：UGS逐渐增加UGS=-1伏,此时导电沟道从漏极到源极平行等宽,这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1,UGS给PN结施加的是一个反偏电压,2023/10/29,（2.2)UDS=0伏:UGS逐渐增加至UGS=Up（夹断电压）,当UGS逐渐增加至UGS=Up 时（不妨取Up=-3伏），由UGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。,2023/10/29,（2.3）UDS=0伏:UGS继续增加，结型场效应管进入击穿状
6、态,UGS 增加使PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。,2023/10/29,（3）在UGS=0伏的前提下，分别讨论UDS 由小变大的过程中JFET的几种工作状态,（3.1）UGS=0伏:UDS的值比较小时,UDS给PN结施加的是一个反偏电压,2023/10/29,导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当UDS 比较小时，导电沟道不会被夹断。,在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。,2023/10/29,（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至Up时,PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹
7、断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。,2023/10/29,（3.3)UGS=0伏、UDS继续增加,2023/10/29,当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。,2023/10/29,（3.4)UGS=0伏、UDS继续增加至U（BR）DS,PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS。,2023/10/
8、29,(4)在UGS=-1伏（即UGSUp的某个值）的前提下，当UDS 由小变大时，JFET的状态,(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比较小时,导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。,2023/10/29,(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断,如图所示，当UDS的值增加至某值（此值比Up小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有UGS+UDS=Up。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的UDS值比A点对应的UDS值小，因为UDS=Up-UGSUp。,2023/1
9、0/29,(4.3)UGS=-1伏、UDS的值继续增加,当UDS继续增加时，两边PN结相接的区域继续向源极方向扩展，此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不随UDS的增加而增加。,2023/10/29,(4.4）UGS=-1伏、UDS继续增加至出现PN结击穿,UGS 和UDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，UDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的UDS值比UGS=0时出现反向击穿的UDS小。,2023/10/29,(5)当UGS UP时，JFET处于截
10、止状态,当UGS UP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。,不同UGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的UDS记为UDS（sat），UDS（sat）Up。,2023/10/29,JFET的三个状态,恒流区（放大区、饱和区）可变电阻区截止区,2023/10/29,小结,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以 场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。
11、,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此 iG0，输入电阻很高。,JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,2023/10/29,场效应管的应用小结,一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用，VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS控制电阻的大小，管子工作在可变电阻区，当作压控可变电阻使用时，导电沟道还没有出现预夹断；,二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极电流的大小，控制比
12、例系数为gm,VGS电压的绝对值越大，漏极电流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部分导电沟道；,三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关断开，场效应管相当于一个无触点的开关。,2023/10/29,第三节 绝缘栅场效应管（IGFET)的结构和工作原理,一、IGFET的结构,2023/10/29,MOS场效应管分类,2023/10/29,2023/10/29,2023/10/29,二、增强型MOS场
13、效应管,一 N沟道增强型MOS场效应管结构二 N沟道增强型MOS的工作原理三 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,2023/10/29,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S发射极E,绝缘栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,2023/10/29,P沟道增强型MOS场效应管结构,2023/10/29,二、N沟道增强型MOS的工作原理,2023/10/29,按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为
14、0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。,在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。,2023/10/29,（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；,当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结,2023/10/29,（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；,（2.1）当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。,（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道,2023/10/29,（2.3）当VDS=0V，VGSVT时,
15、沟道加厚,开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,2023/10/29,（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值,（3.1）电压源VDS的值较小,导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区,电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降,2023/10/29,（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0,（3.2）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS=VT,导电沟道在靠近漏极的
16、一点刚开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,2023/10/29,（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGSVDS VT,导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,2023/10/29,三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区,恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,2023/10/29,三、耗尽
17、型MOS场效应管,一 N沟道耗尽型MOS场效应管结构二 N沟道耗尽型MOS的工作原理三 N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,2023/10/29,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,2023/10/29,P沟道耗尽型MOS场效应管结构,2023/10/29,二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS0时,将使iD进一步增加。当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道
18、增强型MOS管只能工作在VGS0,2023/10/29,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,2023/10/29,场效应管的主要参数,2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。,1.开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107，绝缘栅:1091015。,5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。,6.栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,2023/10/29,7.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,8.输出电阻rds,9.极间电容,Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容,
