MOSFET场效应管资料

场效应管场效应管的分类场效应管（FET）是一种电压控制电流器件。其特点是输入电阻高，噪声系数低，受温度和辐射影响小。因而特别使用于高灵敏度、低噪声电路中。场效应管的种类很多，按结构可分为两大类：结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）.结型场效应管又分为N沟道和P沟道两种。绝缘栅场效应管主要指金属--氧化物--半导体场效应管（MOS管）。MOS管又分为“耗尽型”和“增强型”两种，而每一种又分为N沟道和P沟道。结型场效应管是利用导电沟道之间耗尽区的宽窄来控制电流的，输入电阻（105～1015）之间；绝缘栅型是利用感应电荷的多少来控制导电沟道的宽窄从而控制电流的大小，其输入阻抗很高(栅极与其它电极互相绝缘)。它在硅片上的集成度高，因此在大规模集成电路中占有极其重要的地位。场效应管的型号命名方法现行场效应管有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。1.增强型NMOS管s：Source源极，d：Drain漏极，g：Gate栅极，B：Base衬底，在P型衬底扩散上2个N区，P型表面加SiO2绝缘层，在N区加铝线引出电极。2.增强型PMOS管在N型衬底上扩散上2个P区，P型表面加SiO2绝缘层，在二个P区加铝线引出电极。PMOS与NMOS管的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。3.增强型NMOS管的工作原理正常工作时外加电源电压的配置：(1)VGS=0,VDS=0：漏源间是两个背靠背串联的PN结，所以d-s间不可能有电流流过，即iD≈0。(2)当VGS＞0，VDS=0时：d-s之间便开始形成导电沟道。开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。沟道形成过程作如下解释：此时，在栅极与衬底之间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N区沟通，形成N型导电沟道。如果，此时再加上VDS电压，将会产生漏极电流iD。当VGS＝0时没有导电沟道，而当VGS增强到＞VT时才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且VGS越大，感应电子层越厚，导电沟道越厚，等效沟道电阻越小，iD越大。(3)当VGSVT，VDS0后，漏-源电压VDS产生横向电场：由于沟道电阻的存在，iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压差较高，为VGS；近d端电压差较低，为VGD＝VGS-VDS，所以沟道的形状呈楔形分布。1)当VDS较小时：VDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受VGS控制，所以VGS为定值时，沟道电阻保持不变，iD随VDS增加而线性增加。此时，栅漏间的电压大于开启电压，沟道尚未夹断，。2)当VDS增加到VGS-VDS＝VT时(即VDS＝VGS-VT)：栅漏电压为开启电压时，漏极端的感应层消失，沟道被夹断，称为“预夹断”。3)当VDS再增加时(即VDS＞VGS-VT或VGD=VGS-VDSVT)：iD将不再增加而基本保持不变。因为VDS再增加时，近漏端上的预夹断点向s极延伸，使VDS的增加部分降落在预夹断区，以维持iD的大小，。伏安特性与电流方程：(1)增强型NMOS管的转移特性：在一定VDS下，栅-源电压VGS与漏极电流iD之间的关系：IDO是VGS=2VT时的漏极电流。(2)输出特性(漏极特性)表示漏极电流iD漏-源电压VDS之间的关系：。与三极管的特性相似，也可分为3个区：可变电阻区，放大区(恒流区、饱和区)，截止区(夹断区)。可变电阻区管子导通，但沟道尚未预夹断，即满足的条件为：。在可变电阻区iD仅受VGS的控制，而且随VDS增大而线性增大。可模拟为受VGS控制的压控电阻RDS，。放大区(沟道被预夹断后)，又称恒流区、饱和区。条件是：。特征是iD主要受VGS控制，与VDS几乎无关，表现为较好的恒流特性。夹断区又称截止区，管子没有导电沟道(VGS＜VT)时的状态，。4.耗尽型NMOS管在制造过程中，人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大量的K(钾)或Na(钠)等正离子；VGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N区连通，形成原始的N型导电沟道；VDS一定，外加正栅压(VGS＞0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大；外加负栅压VGS＜0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小；VGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD≈0，管子截止。耗尽型NMOS的伏安特性：放大区的电流方程：，IDSS为饱和漏极电流，是VGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。二、结型场效应管(JFET)结构与符号：在N区两侧扩散两个P＋区，形成两个PN结。两个P＋区相连，引出栅极g。N体的上下两端分别引出漏极d和源极s。导电原理：(1)VGS＝0时，N型棒体导电沟道最宽(N型区)。有了VDS后，沟道中的电流最大。(2)VGS＜0时，耗尽层加宽(主要向沟道一测加宽)，并向沟道中间延伸，沟道变窄。当VGS＜VP(称为夹断电压)时，二个耗尽层增大到相遇，沟道消失，这时称沟道夹断，沟道中的载流子被耗尽。若有VDS电压时，沟道电流也为零。所以属于耗尽型FET，原理和特性与耗尽型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个PN结必须反偏，如对N沟道JFET，要求VGS≤0。加上负VGS电压和VDS电压以后，VGD的负压比VGS大，所以，二个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄，使沟道形成楔形。JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度(沟道的截面积)控制iD，称为体内场效应器件；MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD，称为表面场效应器件。JFET的伏安特性(以N沟道JFET为例)：伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。三、场效应管的主要参数1.直流参数开启电压VT：增强型管的参数；夹断电压VP：耗尽型管的参数；饱和漏极电流IDSS：指耗尽型管在VGS=0时的漏极电流；输入电阻RGS(DC)：因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于1012Ω。2.交流参数低频跨导(互导)gm：，跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，且与工作点有关，是转移特性曲线上过Q点切线的斜率。gm的单位是mS；交流输出电阻rds：，rds反映了漏源电压对漏极电流的影响程度，在恒流区内，是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。其值一般为若几十kΩ。3.极限参数最大漏-源电压V(BR)DS：漏极附近发生雪崩击穿时的VDS；最大栅-源电压V(BR)GS：栅极与源极间PN结的反向击穿电压；最大耗散功率PDM：同三极管的PCM相似，当超过PDM时，管子可能烧坏。结型场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管分为结型和MOS型两种，结型包括N沟沟道和P沟道，MOS型也包括N沟道和P沟道两种，它们分别包含了增强型和耗尽型。1.N沟道结型场效应管的结构和符号结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。N沟道结型场效应管结构动画（1）VGS对导电沟道的影响：(a)VGS=0，VDS=0,ID=0VP(VGS(OFF))：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS107Ω，所以IG=0(b)0│VGS││VP│(c)|VGS|=│VP│，│VGS│↑→耗尽层变宽导电沟道被全夹断（2）VDS0但|VGS-VDS||VP|，时(a)VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。VDS↑→ID↑(b)|VGS-VDS|=|VP|时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS(c)VDS↑→夹端长度↑场强↑→ID=IDSS基本不变。输出特性:表示VGS一定时，iD与VDS之间的变化关系。结型场效应管的输出特性动画(1)截止区（夹断区）如果VP=-4V，VGS=-4V以下区域就是截止区VGS≤VPID=0(2)放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域│VGS-VDS│≥│VP│VDS↑→ID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(2)饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域│VGS-VDS│≤│VP│VDS↑→ID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻结型效应管的工作原理动画转移特性:表示vDS一定时，iD与vGS之间的变化关系。场效应管的转移特性曲线动画转移特性描述了在VDS一定时，VGS对iD的控制作用。可直接从输出特性曲线上做图求出。当|VGS-VDS|≥|VP|后，管子工作在恒流区，VDS对iD的影响很小。实验证明，当|VGS-VDS|≥|VP|时，iD可近似表示为：场效应管的基本应用:共源极放大器1)静态工作点的测试上图为场效应管共源极放大器实验电路图。该电路采用的自给偏压的方式为放大器建立静态工作点，栅极通过R1接地，因R1中无电流流过，所以栅极与地等电位。即VG=0，可用万用表测出静态工作点IDQ和VDSQ值。２）输入输出阻抗的测试（1）输入阻抗的测量上图是伏安法测试放大电路的连接图。其在输入回路中串接一取样电阻R，输入信号调整在放大电路用晶体管毫对地的交流电压VS与Vi，这样求得两端的电压为VR=VS－Vi，流过电阻R的电流实际就是放大电路的输入电流Ii。根据输入电阻的定义得2）输出阻抗的测量放大器输出阻抗的大小，说明该放大器带负载的能力。用伏安法测试放大电路的输出阻抗的测试电路如下图所示。放大器输出阻抗的大小，说明该放大器带负载的能力。用伏安法测试放大电路的输出阻抗的测试电路如下图所示。输入信号的频率仍选择在放大电路的中频段，输入信号的大小仍调整到确保输出信号不失真为条件，因此仍须用示波器监视输出信号的波形。第一步在不接负载RL的情况下，用毫伏表测得输出电压V01。第二步在接上负载RL的情况下，用毫伏表测得输出电压V02。则3）高输入阻抗Ｚｉ的测试.前面讲了一般放大器输入阻抗的测量方法，下面以场效应管源极跟随器为例，介绍高输入放大器的输入阻抗的测试方法。类似于源极跟随器这样的高输入阻抗放大器的输入阻抗．往往可以等效成一个输入电阻Zｉ和一个输入电容Ｃｉ的并联形式，因此，必须分辨测出Ｒｉ和Ｃｉ的值才能确定输入阻抗Ｚｉ的值。测量Ｒｉ，由于被测电路的输入阻抗很高，可以和毫伏表的输入阻抗相比拟，若将毫伏表直接接到被测放大电路的输入端，会引起严重的测试误差．为了减少小毫伏表并联接入引起的测量误差，要求毫伏表的输入电阻远大于被测电路的输入电阻，一般要求大于２０倍以上．对于一般的毫伏表来说，是无法满足这样的要求的．但是被测电路是一的源极跟随器．具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，因而，可以不直接测试放大电路的输入电压，而是测其输出电压。如图３.３.４所示，电路中串入一个阻值较大的取样电阻R，测试时先将电阻Ｒ短路，测出放大器的输出电压，Ｕ０１＝Ａｕ．Ｕi．再拆除Ｒ的短路线，测出输出电压Ｕ０２，则由于两次测试中Ａｕ和Ｕi都不变，从而可以从上面两方程中求得放大电路的输入电阻为1.基本要求（1）结型场效应管的特性曲线测试a.转移特性曲线测试按上图接线,调节VDD使VDS=5V，然后调节RW（10KΩ）电