1、第三章 場效應(yīng)管主要內(nèi)容3.0 概述3.1 場效應(yīng)管的工作原理3.2 場效應(yīng)管特性曲線3.3 場效應(yīng)管的使用注意事項3.4 場效應(yīng)管的等效電路3.5 場效應(yīng)管電路的分析方法第1頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管3.0 概 述 場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制電流的半導體器件,也是一種具有正向受控作用的半導體器件。它體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。場效應(yīng)管與三極管主要區(qū)別： 場效應(yīng)管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。 場效應(yīng)管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。 場效應(yīng)管受溫度的影響?。ㄖ挥卸嘧悠七\動形成電流）第2頁，共39頁。一、場效應(yīng)管的種類第三章 場效

2、應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同分為絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET結(jié)型場效應(yīng)管JFETP溝道N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道MOSFET（按工作方式不同）耗盡型（DMOS）增強型（EMOS） 溝道：指載流子流通的渠道、路徑。N溝道是指以N型材料構(gòu)成的區(qū)域作為載流子流通的路徑；P溝道指以P型材料構(gòu)成的區(qū)域作為載流子流通的路徑。第3頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管二、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號 JFET結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號SGDSGDP+P+NGSDN溝道JFETP溝道JFETN+N+PGSD返回第4頁，共39頁。耗盡型場管的結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號第三章 場效應(yīng)管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N溝道

3、DMOSNN+P+SGDUP+P溝道DMOS DMOS管結(jié)構(gòu)VGS=0時，導電溝道已存在返回第5頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管增強型場管的結(jié)構(gòu)示意圖及其電路符號PP+N+N+SGDUNN+P+SGDUP+SGUDSGUD返回第6頁，共39頁。場效應(yīng)管的電路符號第三章 場效應(yīng)管SGDSGDSGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOSMOS場效應(yīng)管MOSFET結(jié)型場效應(yīng)管JFET返回總結(jié)第7頁，共39頁。總結(jié)：第三章 場效應(yīng)管 場效應(yīng)管的電路符號可知：無論是JFET或是MOSFET，它都有三個電極：柵極G、源極S、漏極D。它們與三極管的三個電極一一對應(yīng)（

4、其實它們之間的對應(yīng)關(guān)系除了電極有對應(yīng)關(guān)系外，由它們構(gòu)成的電路的特性也有對應(yīng)關(guān)系，這些我們在第四再給大家講） ： G-B S-E D-C N溝道管子箭頭是指向溝道的，而P溝道管子的箭頭是背離溝道的。 返回第8頁，共39頁。3.1 場效應(yīng)管的工作原理第三章 場效應(yīng)管 JFET與MOSFET工作原理相似，它們都是利用電場效應(yīng)來控制電流，即都是利用改變柵源電壓vGS，來改變導電溝道的寬度和高度，從而改變溝道電阻，最終達到對漏極電流iD 的控制作用。不同之處僅在于導電溝道形成的原理不同。(下面我們以N溝道JFET、N溝道增強型為例進行分析） 返回第9頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管3.1.1 JFET管工

5、作原理 N溝道JFET管外部工作條件 VDS 0 (保證柵漏PN結(jié)反偏)VGS 0 (保證柵漏PN結(jié)反偏)。 U接電路最低電位或與S極相連(保證源襯PN結(jié)反偏)。 VGS 0 (形成導電溝道)PP+N+N+SGDUVDS- + - + VGS柵襯之間相當于以SiO2為介質(zhì)的平板電容器。增強型管子溝道形成原理第14頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管 3.1.2 N溝道EMOSFET溝道形成原理 假設(shè)VDS =0，討論VGS作用PP+N+N+SGDUVDS =0- + VGS形成空間電荷區(qū)并與PN結(jié)相通VGS襯底表面層中負離子、電子VGS 開啟電壓VGS(th)形成N型導電溝道表面層 npVGS越大，

6、反型層中n 越多，導電能力越強。反型層返回第15頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管3.2 場效應(yīng)管的伏安特性曲線（以NEMOSFET為例） 由于場效應(yīng)管的柵極電流為零，故不討論輸入特性曲線。 共源組態(tài)特性曲線：ID= f ( VGS )VDS = 常數(shù)轉(zhuǎn)移特性：ID= f ( VDS )VGS = 常數(shù)輸出特性：+TVDSIG0VGSID+- 轉(zhuǎn)移特性與輸出特性反映場效應(yīng)管同一物理過程，它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。 NDMOSFET的特性曲線NJFET的特性曲線第16頁，共39頁。輸出特性曲線可劃分四個區(qū)域： ID只受UGS控制，而與UDS近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管 的正向受控作用。 非飽和區(qū)（又稱可變

7、電阻區(qū)）特點：ID同時受UGS與UDS的控制。ID/mAUDS /V0UDS = UGS UTUGS =5V3.5V4V4.5VNEMOS管輸出特性曲線非飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。 飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）特點：VGS(th)開啟電壓，開始有ID時對應(yīng)的VGS值 截止區(qū)（ID =0以下的區(qū)域） 擊穿區(qū)IG0，ID0第一章 半導體器件返回第17頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管 非飽和區(qū)特點：ID同時受VGS與VDS的控制。當VGS為常數(shù)時，VDSID近似線性，表現(xiàn)為一種電阻特性； ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V當VDS為常數(shù)時，VGS

8、 ID ，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。 溝道預夾斷前對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)）對應(yīng)三極管的放大區(qū)。 飽和區(qū)飽和區(qū)工作時的數(shù)學模型返回第19頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管數(shù)學模型：若考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則ID的修正方程： 工作在飽和區(qū)時，MOS管的正向受控作用，服從平方律關(guān)系式：其中： 稱溝道長度調(diào)制系數(shù)，其值與l 有關(guān)。通常 =( 0.005 0.03 )V-1返回第20頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管特點：相當于MOS管三個電極斷開。

9、 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)條件：VGS 0，VGS 正、負、零均可。外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式與EMOS管相同。PDMOS與NDMOS的差別僅在于電壓極性與電流方向相反。 NDMOS管伏安特性返回第23頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管 NJFET管伏安特性ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(off)VGS =0V-2V-1. 5V-1V-0. 5VID =0 時對應(yīng)的VGS值 夾斷電壓VGS（off） 。VGS=0 時對應(yīng)的ID 值 飽和漏電流IDSS。PJFET與

10、NJFET的差別僅在于電壓極性與電流方向相反在飽和區(qū)時的數(shù)學模型：返回第24頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管 VDS極性取決于溝道類型N溝道：VDS 0， P溝道：VDS 0ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off )VGS(th)VGS(th)VGS(off )P溝道：VDS VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設(shè)成立。返回第29頁，共39頁。3.4.2 小信號電路模型第三章 場效應(yīng)管 FET管高頻小信號電路模型 當高頻應(yīng)用、需計及管子極間電容影響時，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs柵源極間平板電

11、容漏源極間電容（漏襯與源襯之間的勢壘電容）柵漏極間平板電容簡化的小信號等效電路第30頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管gmvgsrdsgdsicvgs-vds+- rds為場效應(yīng)管輸出電阻： 由于場效應(yīng)管IG0，所以輸入電阻rgs 。而三極管發(fā)射結(jié)正偏，故輸入電阻rbe較小。與三極管輸出電阻表達式 相似。rbercebceibic+-+vbevceib MOS管簡化小信號電路模型(與三極管對照) 返回gm的含義第31頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管FET跨導得 通常MOS管的跨導比三極管的跨導要小一個數(shù)量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。(MOSFET管）(JFET）返回第32頁，共39頁。第三

12、章 場效應(yīng)管3.5 場效應(yīng)管電路的分析方法 場效應(yīng)管電路分析方法與三極管電路分析方法相似，可以采用估算法分析電路直流工作點；采用小信號等效電路法分析電路動態(tài)指標。 場效應(yīng)管估算法分析思路與三極管相同，只是由于兩種管子工作原理不同，從而使外部工作條件有明顯差異。因此用估算法分析場效應(yīng)管電路時，一定要注意自身特點。 估算法第33頁，共39頁。 MOS管截止模式判斷方法假定MOS管工作在放大模式：放大模式非飽和模式（需重新計算Q點）N溝道管：VGS VGS(th)截止條件 非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)由直流通路寫出管外電路VGS與ID之間關(guān)系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若|VDS| |VGSVGS(th)| 若|VDS| |VGSVGS(th)| b)利用飽和區(qū)數(shù)學模型：第三章 場效應(yīng)管第34頁，共39頁。第三章 場效應(yīng)管 小信號等效電路法場效應(yīng)管小信號等效電路分法與三極管相似。 利用微變等效電路分析交流指標。 畫交流通路