模拟电子技术基础--第1章--常用半导体器件--14--场效应管

2019/8/41.4.1结型场效应管的结构和工作原理1.4.2绝缘栅场效应管的结构和工作原理1.4场效应管2019/8/4作业•1-14•1-15•1-162019/8/4•场效应管出现的历史背景•场效应管的用途•场效应管的学习方法•场效应管的分类第一节场效应管概述2019/8/4场效应管出现的历史背景•1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三极管不同。2019/8/4场效应管的用途•场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：一是当作电压控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；双极型三极管只有两种用途：一是当作电流控制器件用来组成放大电路；二是在数字电路中用做开关元件。2019/8/4场效应管的学习方法•学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。•场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。•场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。•场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。2019/8/4N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管FET结型JFETIGFET(MOSFET)绝缘栅型场效应管的分类一、结型场效应管的结构二、结型场效应管的工作原理三、结型场效应管的特性曲线及参数第二节结型场效应管(JFET)的结构和工作原理一、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道N+N+PGSDN沟道JFETP沟道JFET栅极漏极源极2019/8/4二、结型场效应管（JFET)的工作原理参考方向做如下约定:2019/8/4（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源UGS起作用，电压源UDS的电压值为0；（3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0；（4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。特别注意:电压参考方向和电流参考方向的约定方法。参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。按照如下的思路来讲解：2019/8/4（1）UDS=0伏、UGS=0伏时JFET的工作状态导电沟道从漏极到源极平行等宽。最宽这时导电沟道的电阻记为R1。2019/8/4（2）在UDS=0伏的前提下：│UGS│从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐渐增加UGS=-1伏此时导电沟道从漏极到源极平行等宽这时的导电沟道的电阻用R2表示。R2要大于R1UGS给PN结施加的是一个反偏电压2019/8/4（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐渐增加至UGS=Up（夹断电压）当│UGS│逐渐增加至UGS=Up时（不妨取Up=-3伏），由UGS产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。Up是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。2019/8/4（2.3）UDS=0伏:│UGS│继续增加，结型场效应管进入击穿状态UGS增加使PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时，结型场效应管将进入击穿状态。2019/8/4（3）在UGS=0伏的前提下，分别讨论UDS由小变大的过程中JFET的几种工作状态（3.1）UGS=0伏:UDS的值比较小时UDS给PN结施加的是一个反偏电压2019/8/4导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当UDS比较小时，导电沟道不会被夹断。在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为R1，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。2019/8/4（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│时PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被预夹断。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作IDSS。2019/8/4（3.3)UGS=0伏、UDS继续增加2019/8/4当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。2019/8/4（3.4)UGS=0伏、UDS继续增加至U（BR）DSPN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的UDS值为最大漏源电压，记为U（BR）DS。2019/8/4(4)在UGS=-1伏（即│UGS││Up│的某个值）的前提下，当UDS由小变大时，JFET的状态(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比较小时导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为R2，导电沟道呈现线性电阻的性质。2019/8/4(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断如图所示，当UDS的值增加至某值（此值比│Up│小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的UDS值比A点对应的UDS值小，因为UDS=│Up│-│UGS││Up│。2019/8/4(4.3)UGS=-1伏、UDS的值继续增加当UDS继续增加时，两边PN结相接的区域继续向源极方向扩展，此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不随UDS的增加而增加。2019/8/4(4.4）UGS=-1伏、UDS继续增加至出现PN结击穿UGS和UDS电压源分别使PN结反偏，它们共同作用使靠近漏极的PN结承受最大的反偏电压，UDS增加使PN结上的反偏电压过大时，在靠近漏极的区域首先出现反向击穿。结型场效应管进入反向击穿状态，此时的UDS值比UGS=0时出现反向击穿的UDS小。2019/8/4(5)当UGS≤UP时，JFET处于截止状态当UGS≤UP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。不同UGS下预夹断点相连成一条曲线，此曲线与纵轴相夹的区域称为可变电阻区。此时场效应管当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用。可变电阻区在数字电路中作为开关元件的一个状态，相当于开关闭合，此时的UDS记为UDS（sat），UDS（sat）≤│Up│。2019/8/4JFET的三个状态•恒流区（放大区、饱和区）•可变电阻区•截止区2019/8/4小结•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，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。思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。•JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。2019/8/4场效应管的应用小结•一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用，VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS控制电阻的大小，管子工作在可变电阻区，当作压控可变电阻使用时，导电沟道还没有出现预夹断；•二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极电流的大小，控制比例系数为gm,VGS电压的绝对值越大，漏极电流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部分导电沟道；•三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关断开，场效应管相当于一个无触点的开关。2019/8/4第三节绝缘栅场效应管（IGFET)的结构和工作原理一、IGFET的结构2019/8/4MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管MOS场效应管分类2019/8/42019/8/42019/8/4二、增强型MOS场效应管•一N沟道增强型MOS场效应管结构•二N沟道增强型MOS的工作原理•三N沟道增强型MOS场效应管特性曲线2019/8/4一、N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D→集电极C源极S→发射极E绝缘栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管2019/8/4P沟道增强型MOS场效应管结构2019/8/4二、N沟道增强型MOS的工作原理2019/8/4按照如下的思路来讲解：（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0；（4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。2019/8/4（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结2019/8/4（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；（2.1）当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。（2.2）当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道2019/8/4（2.3）当VDS=0V，VGSVT时,沟道加厚开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管2019/8/4（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大于开启电压的某值（3.1）电压源VDS的值较小导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降2019/8/4（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0（3.2）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。vDS(V)iD(mA)2019/8/4（3.3）电压源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。vDS(V)iD(mA)2019/8/4三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi时的是2)()1(0202019/8/4三、耗尽型MOS场效应管•一N沟道耗尽型MOS场效应管结构•二N沟道耗尽型MOS的工作原理•三N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线2019/8/4一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构2019/8/4P沟道耗尽型MOS场效应管结构2019/8/4二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS＞0时,将使iD进一步增加。当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。VGS(V)iD(mA)VPN