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1、第四讲 场效应管,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,一、场效应管的分类(field effect transistor),1、结型场效应管（JFET)结构和符号,G,S,D,导电沟道,二、场效应管的结构和符号,（一）结型场效应管（JFET),（1） VGS对沟道的控制作用,当VGS0时PN结反偏,当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP ( 或VGS(off) )。,对于N沟道的JFET，VP 0。,耗尽层加厚,沟道变窄,VGS继续减小，沟道继续变窄， ID继续变小。,当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，在VDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电
2、流ID,此时最大。,沟道电阻变大,ID变小,根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压， P沟道管加正栅源电压，否则将会出现栅流。,2、结型场效应管（JFET)工作原理,当VGS=0时，VDS ID ,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当VDS增加到VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS ,夹断区延长,沟道电阻 ,ID基本不变,（2） VDS对沟道的控制作用,当VP VGS0 时，,对于同样的VDS ， ID的值比VGS=0时的值要小。,在预夹断处,VGD=VGS-VDS =VP,(3) VGS和VDS同时作用
3、时,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。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，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。,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,(2) 输出特性,VP,(1) 转移特性,3、结型场效应管（JFET)的特性曲线, 夹断电压VP (或VGS(off)：, 饱和漏极电流IDSS：, 低频跨导gm：,或,VDS为常数时，漏极电流约为零
4、时的VGS值,VGS=0时对应的漏极电流,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻rd：,4、结型场效应管（JFET)主要参数, 直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。, 最大漏极功耗PDM, 最大漏源电压V(BR)DS, 最大栅源电压V(BR)GS,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的
5、反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,结型场效应管的缺点,MOS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,（二）金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,N沟道增强型MOSFET,1. 结构（N沟道）,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L, 与导电能力有关。,Gate /Source /drain,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,当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。 当VGS=VT时,
6、在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。,-,-,-,-,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD,即iD0.,当VGSVT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,（2）N沟道增强型MOS场效应管工作原理,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的
7、不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当 VGDVT ,此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID,当VDS增加到使VGD=VT时，,当VDS增加到VGDVT时，,这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向S极。 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。,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，
8、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/V,（3）N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,（1）N沟道耗尽型MOS场效应管结构,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,2.N沟道耗尽型MOS场效应管,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VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0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。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能
9、工作在VGS0,（2）N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,输出特性曲线,转移特性曲线,（3）N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,三 MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型参数）,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）,二、交流参数,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,2. 低频互导gm,考虑到,则,(其中,（增强型）,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,图 各种场效应管的符号对比,图 各种场效应管的符号对比,场效应管与晶体管的比较,场效应管 三极管 单极性：多子 双极型：多子和少子 压控型 流控型 Ri很大 Ri较小 跨导较小 大 JFET的d,s可互换 c,e不可以互换很小 温度稳定性好 温度稳定性差,
