1、(1-1),場效應管與雙極型晶體管不同，它是多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。,結型場效應管JFET,絕緣柵型場效應管MOS,場效應管有兩種:,第8章 場效應晶體管,結型場效應三極管 絕緣柵場效應三極管的工作原理 場效應三極管的參數(shù)和型號 雙極型和場效應型三極管的比較,場效應半導體三極管,場效應半導體三極管是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。,從場效應三極管的結構來劃分，它有兩大類。 1.結型場效應三極管JFET (Junction type Field Eff

2、ect Transister),2.絕緣柵型場效應三極管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也稱金屬氧化物半導體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）,8.1 結型場效應三極管,(1)結型場效應三極管的結構 JFET的結構與MOSFET相似，工作機理則相同。 JFET的結構如圖01所示，它是在N型半導體硅片 的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N 型溝道的結構。一個P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是 漏極，另一端 是源極。 圖01 結型場效應三極管的結構,(1-5),N,基底

3、：N型半導體,兩邊是P區(qū),G(柵極),S源極,D漏極,結構,導電溝道,(1-6),N溝道結型場效應管,(1-7),P溝道結型場效應管,(2) 結型場效應三極管的工作原理,根據(jù)結型場效應三極管的結構，因它沒 有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對 于N溝道結型場效應三極管只能工作在負柵 壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則 將會出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作 原理。,(1-9),工作原理（以P溝道為例）,UDS=0V時,PN結反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。,(1-10),ID,UDS=0V時,UGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。,但當UGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導電

4、溝道。DS間相當于線性電阻。,(1-11),P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0時,UGS達到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使UDS 0V，漏極電流ID=0A。,ID,(1-12),UGS0、UGDVP時耗盡區(qū)的形狀,越靠近漏端，PN結反壓越大,ID,(1-13),UGSVp且UDS較大時UGDVP時耗盡區(qū)的形狀,溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。,ID,(1-14),UGSVp UGD=VP時,漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。,UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。,ID,(1-15),UGSVp UGD=VP時,此時，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，

5、基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID, 柵源電壓對溝道的控制作用,當VGS=0時，在漏、源之間加有一定電壓時，在漏、源間將形成多子的漂移運動，產(chǎn)生漏極電流。當VGS0時，PN結反偏，形成耗盡層，漏、源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。, 漏源電壓對溝道的控制作用,當VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷，當VDS繼續(xù)增加，漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應三極管的十分相似。,在柵極加上電壓，且VGSVGS(

6、off)，若漏源電壓VDS 從零開始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏 極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分，,(3)結型場效應三極管的特性曲線,JFET的特性曲線有兩條，一是轉移特性曲線， 二是輸出特性曲線。它與MOSFET的特性曲線基本 相同，只不過MOSFET的柵壓可正、可負，而結型 場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的 為負。JFET的特性曲線如圖02所示。,(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉移特性曲線 圖02 N溝道結型場效應三極管的特性曲線,(1-20),特性曲線,飽和漏極電流,夾斷電壓,轉移特性曲線 一定UDS下的ID-UGS曲線,(1-21)

7、,ID,U DS,恒流區(qū),輸出特性曲線,0,(1-22),N溝道結型場效應管的特性曲線,轉移特性曲線,(1-23),輸出特性曲線,N溝道結型場效應管的特性曲線,(1-24),結型場效應管的缺點：,1. 柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。,3. 柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。,絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。,2. 在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。,絕緣柵型場效應三極管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為 增強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道,N溝道增強型MOSF

8、ET 的結構示意圖和符號見圖03。其中： D(Drain)為漏極，相當c； G(Gate)為柵極，相當b； S(Source)為源極，相當e。 圖03 N溝道增強型 MOSFET結構示意圖,8.2 絕緣柵場效應三極管,(1-26),結構和電路符號,P型基底,兩個N區(qū),SiO2絕緣層,導電溝道,金屬鋁,N溝道增強型,(1-27),N 溝道耗盡型,予埋了導電溝道,(1-28),P 溝道增強型,(1-29),P 溝道耗盡型,予埋了導電溝道,(1)N溝道增強型MOSFET 結構,根據(jù)圖04， N溝道增強型 MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是 在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然

9、后用光 刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，,一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的 絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為 襯底，用符號B表示。,(1-31),MOS管的工作原理,以N 溝道增強型為例,UGS=0時,對應截止區(qū),(1-32),UGS0時,感應出電子,VT稱為閾值電壓,(1-33),UGS較小時，導電溝道相當于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。,(1-34),當UDS不太大時，導電溝道在兩個N區(qū)間是均勻的。,當UDS較大時，靠近D區(qū)的導電溝道變窄。,(1-35),UDS增加，UGD=VT 時，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。,工作原理 1

10、柵源電壓VGS的控制作用,當VGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管， 在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。,當柵極加有電壓時，若 0VGSVGS(th)時，通過柵極和 襯底間的電容作用，將靠近柵極 下方的P型半導體中的空穴向下 方排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的 耗盡層。耗盡層中的少子將向表 層運動，但數(shù)量有限，不足以形 成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。,VGS對漏極電流的控制關系可用 ID=f(VGS)VDS=const 這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，見圖5。,進一步增加VGS，當VGSVGS(th) 時（ VGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此 時的柵

11、極電壓已經(jīng)比較強，在靠近 柵極下方的P型半導體表層中聚集較 多的電子，可以形成溝道，將漏極 和源極溝通。如果此時加有漏源電 壓，就可以形成漏極電流ID。在柵 極下方形成的導電溝道中的電子， 因與P型半導體的載流子空穴極性 相反，故稱為反型層。,隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為 增強型MOS管。,圖5 VGS對漏極電流的控制特性 轉移特性曲線,轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓 對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以 gm也稱為跨導?？鐚У亩x式如下 gm=ID/VGS VDS=c

12、onst (單位mS),ID=f(VGS)VDS=const,2漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用,當VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖06所示。根據(jù)此圖可以有如下關系,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,當VDS為0或較小時，相當VGSVGS(th)，溝道分布如圖06(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,圖06(a) 漏源電壓VDS對溝道的影響,當VDS為0或較小時，相當VGSVGS(th)，溝道分布如圖06(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布

13、。,當VDS增加到使VGS=VGS(th)時，溝道如圖06(b)所 示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的 情況，稱為預夾斷。,當VDS增加到VGSVGS(th)時，溝道如圖06(c)所示。 此時預夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本 降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。,當VGSVGS(th)，且固定為某一值時， VDS對ID的影響， 即ID=f(VDS)VGS=const這一關系曲線如圖7所示。這 一曲線稱為漏極輸出特性曲線。,圖7 漏極輸出特性曲線,ID=f(VDS)VGS=const,8.3 場效應三極管的參數(shù)和型號,(1) 場效應三極管的參數(shù) 開啟電

14、壓VGS(th) (或VT) 開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于 開啟電壓的絕對值, 場效應管不能導通。, 夾斷電壓VGS(off) (或VP) 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VGS(off) 時,漏極電流為零。, 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應三極管, 當VGS=0時所對應的漏極電流。, 輸入電阻RGS 場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107，對于絕緣柵型場效應三極管, RGS約是1091015。, 低頻跨導gm 低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用， 這一點與電子管的控制作用相似。gm可以在轉 移特性曲線上求取，單位是m

15、S(毫西門子)。, 最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型 三極管的PCM相當。,(2) 場效應三極管的型號,場效應三極管的型號, 現(xiàn)行有兩種命名方法。其 一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場 效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝 道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場效應三極管。,第二種命名方法是CS#，CS代表場效應管，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。,半導體三極管圖片,8.4 雙極型和場效應型三極管的比較,雙極型三極管 場效應三極管 結構 NPN型 結型耗盡型 N溝道 P溝道