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1、场效应三极管,场效应管工作原理MOS场效应管结构与工作原理结型场效应管结构与工作原理场效应管放大电路组成及主要指标分析,场效应管（FET:Field Effect Transistor）也是三极管，有三个电极场效应管的控制信号是电压，该器件属于电压控制电流源场效应管内部只有一种载流子运动，称为单极型三极管FET分为结型场效应管JFET 和金属氧化物场效应管（MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductor）MOS管在现代集成电路技术中被广泛应用,场效应三极管,场效应管的分类：,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,绝缘栅型场效应管（MOS管）,N沟道增强型MOS管结构与符
2、号,大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起,铝电极、金属（Metal）,二氧化硅氧化物（Oxide）,半导体（Semiconductor),称MOS管,因为栅极和漏极、源极之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。,P,虚线表示增强型,衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。,绝缘栅型场效应管（MOS管）,N沟道增强型MOS管结构与符号,N沟道增强型MOS管结构与符号,1、当栅源极间电压vGS=0 时,漏极和源极之间相当于两个背靠背的PN结。,vGS=0,P,此时无论vDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，iD=0
3、。,iD=0,N沟道增强型MOS管工作原理,N沟道增强型MOS管工作原理,2、当vDS=0且vGS0时,由于SiO2绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。,电场力排斥空穴,形成耗尽层,电场吸引电子,二氧化硅层在vGS作用下被充电而产生电场,形成N形薄层（称反型层）形成导电沟道,N沟道增强型MOS管工作原理,导电沟道形成时，对应的栅-源电压vGS称为开启电压VTN（VGS(th)）。,vGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。,必须依靠栅极外加电压才能产生反型层(导电沟道)的MOSFET称为增强型器件,N沟道增强型MOS管工作原理,3、当vGSVTN时，vDS 加
4、正向电压,外加较小的vDS时，iD随着vDS的增大而线性增大。,iD,增大vDS，导电沟道出现梯度。,直到vGD=VTN即 vDS=vGSVTN时，沟道在漏极一侧出现加断点，称为预夹断。,N沟道增强型MOS管工作原理,3、当vGSVTN时，vDS 加正向电压,在vDSvGSVTN时，沟道夹断区延长，iD达到最大且恒定，管子进入饱和区。,饱和区又称恒流区、放大区。,N沟道增强型MOS管工作原理,3、当vGSVTN时，vDS 加正向电压,N沟道增强型MOS管工作过程的动画演示：,以上分析可知,沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,MOSFET是电压控制电流器件（VC
5、CS），iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。,只有当vGSVTN时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。,MOS管的I-V 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,截止区 当vGSVTN时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,可变电阻区 vDS（vGSVTN）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,MOS管的I-V 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,饱和区（恒流区又称放大区）,vGS VTN，且vDS（vGSVTN）,
6、是vGS2VTN时的iD,I-V 特性：,必须让FET工作在饱和区（放大区）才有放大作用。,MOS管的I-V 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,（2）转移特性,#为什么不谈输入特性？,在饱和区，iD受vGS控制,MOS管的I-V 特性曲线及大信号特性方程,N沟道耗尽型 MOSFET,结构示意图和符号,SiO2绝缘层中掺有正离子,预埋了N型 导电沟道,由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在vGS=0时，若漏源之间加上一定的电压vDS，也会有漏极电流 iD 产生。,此时的漏极电流用 IDSS表示，称为饱和漏极电流。,当vGS 0时，使导电沟道变宽，iD 增大；当vGS 0
7、时，使导电沟道变窄，iD 减小；当vGS达到一定负值时，沟道消失，iD=0。,此时的vGS称为夹断电压vGS(off)（VPN）。,N沟道耗尽型MOSFET工作原理,（N沟道增强型）,I-V 特性曲线及大信号特性方程,N沟道耗尽型 MOSFET,P沟道MOSFET,是增强型还是耗尽型特性曲线？,耗尽型特性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？,P沟道MOSFET特性曲线,电流均以流入漏极的方向为正！,沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N沟道为例）,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,VA称为厄雷（Early）电压,
8、不同MOS管的符号,虚线表示增强型,实线表示耗尽型,衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。,MOSFET的主要参数,直流参数,1.开启电压VT（增强型参数）,2.夹断电压VP（耗尽型参数）,3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）,4.直流输入电阻RGS（1091015）,直流参数,MOSFET的主要参数,所以,1、输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间。,交流参数,对于增强型NMOS管,有,MOSFET的主要参数,2、低频互导 gm,其中,所以,NMOS增强型,MOSFET的主要参数,极限参数,
9、1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V（BR）DS,4.最大栅源电压V（BR）GS,MOSFET的主要参数,MOS管使用注意事项：,MOS管中,有的产品将衬底引出，形成四个管脚。则衬-源间的电压vBS必须保证衬-源间的PN结反向偏置，P衬底接低电位，N衬底接高电位。,场效应管的漏极与源极通常可以互换，且不会对伏安特性曲线产生明显影响。注意：有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起了，这时源极与漏极就不能进行对调。,MOS管不使用时,由于它的输入电阻非常高,须将各电极短路,以免受外电场作用时使管子损坏。即：MOS管在不使用时应避免栅极悬空，务必将各电极短接。,焊接MOS管
10、时，电烙铁须有外接地线，用来屏蔽交流电场，以防止损坏管子。特别是焊接绝缘栅场效应管时，最好断电后再焊接。,结型场效应管结构与工作原理,结型场效应管结构结型场效应管工作原理,结型场效应管(JFET),N沟道管的结构示意图和符号,P沟道管的结构示意图和符号,JFET工作原理（以N沟道FET为例）,1、当vDS=0时，vGS对导电沟道的影响,vDS=0，vGS=0,耗尽层很窄，导电沟道很宽,|vGS|逐渐增大时,耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大,|vGS|增大到夹断电压VPN,耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻无穷大,2、当vGS为VPN 0 中某一个固定值时，vDS对漏极电流iD的影响,(1)当vD
11、S=0时，导电沟道虽然存在，但多子不会产生定向移动，iD=0,(2)当vDS0时,耗尽层将出现楔形，靠近漏极端较宽，靠近源极端较窄。,只要不出现夹断区域，沟道电阻基本决定于vGS，iD随vDS增大线性增大。,JFET工作原理（以N沟道FET为例）,(3)当vDS增大到使vGD=VPN时,耗尽层一端出现夹断区。,称vGD=VPN为预夹断,(4)当vGDVPN时，,vDS增大时，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD基本不变，仅仅决定于vGS，表现为恒流特性。,2、当vGS为VPN 0 中某一个固定值时，vDS对漏极电流iD的影响,击穿区,VPN,IDSS,夹断电压,漏极饱和电流,JFET的特性曲线及参
12、数(N沟道),转移特性,输出特性,(VPNvGS0),P沟道JFET的特性曲线如何？,主要参数夹断电压VGS(off)（VPN）饱和漏电流 IDSS直流输入电阻RGS低频互导gm,JFET的特性曲线及参数,VPN,IDSS,JFET的特点：,JEFT栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，iG 0，输入电阻很高。,JEFT是电压控制电流器件，iD 受vGS控制。,预夹断前，iD 与uDS呈现线性关系；预夹断后，iD 趋于饱和。,工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,vGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？vGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？vGS0才可能工作在恒流区的场效应
13、管有哪几种？,场效应管的分类小结,双极型三极管和场效应三极管比较,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,例1,已知某管子的输出特性如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管(结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)？,*判断管子的类型，主要是看iD、vDS和vGS的正负。,N沟道增强型MOS管,练习：,已知管子的转移特性下图所示。试分析管子是什么类型的场效应管(结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)？并写出它的开启电压或夹断电压。,N沟道JEFT管,VGS(off)=-4V,N沟道耗尽型MOS管,VGS(off)=-3V,P沟道耗尽型MOS管,VGS(off)=2V,P沟道增强型MOS管,VGS(th)=-4V,
