场效应晶体管

场效应晶体管场效应管的特点结型场效应管绝缘栅场效应管第四章绝缘栅场效应管结型场效应管第四节场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示（FieldEffectTransistor）。一、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是一种金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS管。MOS管按工作方式分类增强型MOS管耗尽型MOS管N沟道P沟道N沟道P沟道第四节（一）N沟道增强型MOS管的结构和工作原理NNb-衬底引线sgdP衬底bSiO2绝缘层g-栅极S-源极d-漏极N型区ggssddbb箭头方向是区别N沟道与P沟道的标志第四节N沟道P沟道铝2.工作原理（1）感生沟道的形成在电场的作用下，可以把P型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥掉，形成空间电荷区。当uGS增加到某一临界电压(UT)值时，吸引足够多的电子，在P型半导体的表面附近感应出一个N型层,形成反型层—漏源之间的导电沟道。开始形成反型层的uGS称为开启电压(UT)。uGS越高，电场越强，感应的电子越多，沟道就越宽。uGSgb自由电子反型层耗尽区第四节绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小。栅极和源极之间加正向电压耗尽区铝SiO2衬底P型硅gbuGS受主离子空穴（2）栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用在栅源电压uGS=0时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向PN结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，iD≈0。增大VGG，使uGS=UT时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流iD。uGS变大iD变大沟道宽度变宽沟道电阻变小NNVDDVGGsdbgiDPN沟道uGS≥UT时才能形成导电沟道第四节uGS对iD的控制作用：（3）漏源电压uDS对漏极电流iD的影响uGS≥UT时，沟道形成。当uDS较小，即uGDUT时，沟道宽度受uDS的影响很小，沟道电阻近似不变，iD随uDS的增加呈线性增加。当uDS增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变窄。随着uDS增大，沟道电阻迅速增大，iD不再随uDS线性增大。继续增大uDS，则uGDUT，夹断区增加，增加的uDS电压几乎全部降落在夹断区上，所以uDS虽然增加而电流基本上是恒定的。VGGVDDsdbgiDPNNuGDUTuGD=UTuGDUT第四节耗尽区N沟道当uDS增大到使uGD=UT时，在靠近漏极处，沟道开始消失，称为预夹断。（二）N沟道增强型MOS管的特性曲线1.输出特性输出特性是指uGS为一固定值时，iD与uDS之间的关系，即输出特性分为三个区：可变电阻区恒流区截止区第四节可变电阻区（非饱和区）2468101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2Ⅰ区对应预夹断前，uGSUT，uDS很小，uGDUT的情况。①若uGS不变，沟道电阻rDS不变，iD随uDS的增大而线性上升。②uGS变大，rDS变小，看作由电压uGS控制的可变电阻。ⅠⅡ第四节截止区该区对应于uGS≤UT的情况由于没有感生沟道，故电流iD≈0，管子处于截止状态。2468101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2ⅠⅡ恒流区（饱和区）Ⅱ区对应预夹断后，uGSUT，uDS很大，uGDUT的情况。iD只受uGS控制。若uGS不变，随着uDS的增大，iD几乎不变。预夹断轨迹方程为：TGSGDGSDSTDSGSGDUuuuuUuuu第四节2.转移特性转移特性是指uDS为固定值时，iD与uGS之间的关系，即常数DSGSD)(uufi2468101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V123456当FET工作在恒流区，不同uDS的转移特性曲线基本接近。转移特性曲线方程2TGSD）（UuKi（UGSUT）其中K为常数，由管子结构决定，可以估算出来。第四节UT（三）N沟道增强型MOS管的主要参数直流参数交流参数极限参数第四节1.直流参数（2）直流输入电阻RGS（1）开启电压UT在衬底表面感生出导电沟道所需的栅源电压。实际上是在规定的uDS条件下，增大uGS，当iD达到规定的数值时所需要的uGS值。在uDS=0的条件下，栅极与源极之间加一定直流电压时，栅源极间的直流电阻。RGS的值很大，一般大于Ω。910第四节2.交流参数定义：当uDS一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源电压变化量之比，即gm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导数得到。（2）极间电容：栅、源极间电容Cgs和栅、漏极间电容Cgd，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。第四节（1）跨导gm3.极限参数是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指管子允许的最大耗散功率，相当于双极型晶体管的PCM。第四节2468101214160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（1）漏极最大允许电流IDM（2）漏极最大耗散功率PDMDSDDMuiPDMI在输出特性上画出临界最大功耗线。是指在uDS=0时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流所需的uGS值。击穿将会损坏管子。是指在uDS增大时，使iD开始急剧增加的uDS值。（3）栅源极间击穿电压U(BR)GS（4）漏源极间击穿电压U(BR)DSU(BR)DS此时不仅产生沟道中的电子参与导电，空间电荷区也发生击穿，使电流增大。第四节DSDDMuiPDMI2468101214160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（四）N沟道耗尽型MOS管1.工作原理VDDNNsgdbPiDN沟道结构示意图SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。P衬底表面已经出现反型层，存在导电沟道。在uGS=0时当uGS0时感生沟道加宽，iD增大。感生沟道变窄，iD减小。当uGS达到某一负电压值UP时，抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消失，iD≈0，UP称为夹断电压。当uGS0时第四节sgdb符号输出特性转移特性2468101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.特性曲线预夹断轨迹方程：PGSDSUuu转移特性曲线方程：2PGSDSSD1）（UuIi其中IDSS是uGS=0时的iD值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。第四节3.主要参数实际测量时，是在规定的uDS条件下，使iD减小到规定的微小值时所需的uGS值。该电流为uDS在恒流区范围内，且uGS=0v时的iD值，亦称饱和漏极电流。第四节（1）夹断电压UP是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。（2）零偏漏极电流IDSS它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V二、结型场效应管JFET(JunctionFieldEffectTransistor)两个P+区中间的N型半导体，在加上正向uDS电压时就有电流流过，故称为N沟道。S-源极g-栅极d-漏极NP第四节S-源极g-栅极d-漏极NP当uGS=0时，就有导电沟道存在，故而这种管子也属于耗尽型场效应管。sdgVDDVGGP沟道uGSuDSiDNsgd第四节N沟道结型场效应管sdgVGGPuGS改变uGS的大小，就可以改变沟道宽窄，即改变沟道的电阻，从而控制iD的大小。这与绝缘栅场效应管是一样的。dN沟道空间电荷区sgPuGS=0sdgVGGPuGSUPuGS0uGS≤UPuGS对导电沟道的影响第四节栅源级间加反向电压漏级电位最高，PN结最宽，源级电位最低，PN结最窄。VGGsdgVDDuGDUPuGD=UPuGDUPuDS对导电沟道的影响VGGsdgVDDsdgVDDVGG随着uDS增大，PN结加宽，将产生预夹断。第四节UPuGS≤0漏源级间加正向电压uDS再增大，夹断区向下发展。-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPN沟道结型场效应管的输出特性和转移特性如果N沟道结型管的uGS0，则两个PN结是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏管子。IDSS2468101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲线第四节三、场效应管的特点场效应管与双极型晶体管相比：（１）场效应管中，导电过程是多数载流子的漂移运动，故称为单极型晶体管；双极型晶体管中既有多子的扩散运动又有少子的漂移运动。（２）场效应管是通过栅极电压uGS来控制漏极电流iD，称为电压控制器件；双极型晶体管是利用基极电流iB（或射极电流iE）来控制集电极电流iC，称为电流控制器件。第四节（３）场效应管的输入电阻很大；晶体管的输入电阻较小。注意：MOS管在使用时应避免悬空，保存不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁外壳要可靠接地。sgdRDZ1DZ2栅极过压保护电路当电压过高时，将有一个稳压管击穿稳压，限制了uGS的增大，起到保护管子的作用。第四节（４）场效应管的跨导gm的值较小，双极型晶体管的β值很大。在同等条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。（５）结型场效应管的漏极和源极可以互换使用，MOS管如果衬底没有和源极接在一起，也可将d、s极互换使用；双级型晶体管的c和e极互换则称为倒置工作状态，此时β将变得非常小。（6）场效应管可作为压控电阻使用。第四节(7）场效应管是依靠多子导电，因此具有较好的温度稳定性、抗辐射性和较低的噪声。由图可见，不同温度下的转移特性的交点Q（即工作点）的ID、UDS几乎不受温度影响。晶体管的温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。Q+125℃+25℃T=-55℃iD(mA)uGS(V)uDS=10V场效应管还有一些缺点：如功率小，速度慢等。但由于它工艺简单，易于集成，故广泛应用于集成电路。第四节本节要点1.N沟道增强型MOS管场效应管是利用栅-源极外加电压uGS产生的电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流iD的大小，可将iD看作由电压uGS控制的电流源。2468101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V123456UT输出特性转移特性场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。它的主要参数有gm、UT或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和极间电容。第四节输出特性转移特性2468101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.N沟道耗尽型MOS管3.N沟道结型场效应管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPIDSS2468101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234第四节本章小结本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、双极型晶体管（BJT）和场效应管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数。一、PN结在本征半导体中掺入不同杂质就形成N型半导体与P型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，从而实现导电性能的可控性。1.杂质半导体第四章将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，从而形成PN结。正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。2.PN结载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。第四章二、半导体二极管一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。特殊二