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1、第三章场效应管 主要内容 3 0概述 3 1场效应管的工作原理 3 2场效应管特性曲线 3 3场效应管的使用注意事项 3 4场效应管的等效电路 3 5场效应管电路的分析方法 第三章场效应管 3 0概述 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件 也是一种具有正向受控作用的半导体器件 它体积小 工艺简单 器件特性便于控制 是目前制造大规模集成电路的主要有源器件 场效应管与三极管主要区别 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻 场效应管是单极型器件 三极管是双极型器件 场效应管受温度的影响小 只有多子漂移运动形成电流 第三章场效应管 二 场效应管的结构示意图及其电路符号 JFET结构示意图及电
2、路符号 返回 耗尽型场管的结构示意图及其电路符号 第三章场效应管 DMOS管结构 返回 第三章场效应管 增强型场管的结构示意图及其电路符号 返回 场效应管的电路符号 第三章场效应管 MOS场效应管MOSFET 结型场效应管JFET 返回 总结 总结 第三章场效应管 场效应管的电路符号可知 无论是JFET或是MOSFET 它都有三个电极 栅极G 源极S 漏极D 它们与三极管的三个电极一一对应 其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外 由它们构成的电路的特性也有对应关系 这些我们在第四再给大家讲 G BS ED CN沟道管子箭头是指向沟道的 而P沟道管子的箭头是背离沟道的 返回 3 1场效应管的
3、工作原理 第三章场效应管 JFET与MOSFET工作原理相似 它们都是利用电场效应来控制电流 即都是利用改变栅源电压vGS 来改变导电沟道的宽度和高度 从而改变沟道电阻 最终达到对漏极电流iD的控制作用 不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同 下面我们以N沟道JFET N沟道增强型为例进行分析 返回 第三章场效应管 3 1 1JFET管工作原理 N沟道JFET管外部工作条件 VDS 0 保证栅漏PN结反偏 VGS 0 保证栅源PN结反偏 PN结反偏才能有效控制导电沟道的宽度和高度 从而才能有效控制电流 VGS对沟道宽度的影响 VDS对沟道宽度的影响 返回 第三章场效应管 VGS对沟道宽度的影响
4、若VDS 0 返回 第三章场效应管 VDS对沟道的控制 假设VGS一定 VDS很小时 VGD VGS 由图VGD VGS VDS 因此VDS ID线性 若VDS 则VGD 近漏端沟道 Ron增大 此时Ron ID 变慢 此时W近似不变 即Ron不变 VDS对沟道宽度的影响 第三章场效应管 当VDS增加到使VGD VGS off 时 A点出现预夹断 若VDS继续 A点下移 出现夹断区 此时VAS VAG VGS VGS off VGS 恒定 VDS的增加主要加在D A之间形成很强的电场 由S向D行进的多子越过耗尽区到达漏极形成电流 若忽略沟道长度调制效应 则近似认为l不变 即Ron不变 因此预夹
5、断后 VDS ID基本维持不变 返回 第三章场效应管 N沟道EMOS管工作原理 N沟道EMOS管外部工作条件 VDS 0 保证栅漏PN结反偏 U接电路最低电位或与S极相连 保证源衬PN结反偏 VGS 0 形成导电沟道 增强型管子沟道形成原理 第三章场效应管 3 1 2N沟道EMOSFET沟道形成原理 假设VDS 0 讨论VGS作用 VGS越大 反型层中n越多 导电能力越强 返回 第三章场效应管 3 2场效应管的伏安特性曲线 以NEMOSFET为例 由于场效应管的栅极电流为零 故不讨论输入特性曲线 共源组态特性曲线 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程 它们之间可以相互转换 NDMOSFE
6、T的特性曲线 NJFET的特性曲线 输出特性曲线可划分四个区域 ID只受UGS控制 而与UDS近似无关 表现出类似三极管的正向受控作用 非饱和区 又称可变电阻区 特点 ID同时受UGS与UDS的控制 NEMOS管输出特性曲线 非饱和区 饱和区 截止区 击穿区 饱和区 又称恒流区 特点 VGS th 开启电压 开始有ID时对应的VGS值 截止区 ID 0以下的区域 击穿区 IG 0 ID 0 第一章半导体器件 返回 第三章场效应管 非饱和区 特点 ID同时受VGS与VDS的控制 当VGS为常数时 VDS ID近似线性 表现为一种电阻特性 当VDS为常数时 VGS ID 表现出一种压控电阻的特性
7、沟道预夹断前对应的工作区 因此 非饱和区又称为可变电阻区 对应三极管的饱和区 3 2 1NEMOS管输出特性曲线 返回 第三章场效应管 特点 ID只受VGS控制 而与VDS近似无关 表现出类似三极管的正向受控作用 沟道预夹断后对应的工作区 考虑到沟道长度调制效应 输出特性曲线随VDS的增加略有上翘 注意 饱和区 又称恒流区 对应三极管的放大区 饱和区 饱和区工作时的数学模型 返回 第三章场效应管 数学模型 若考虑沟道长度调制效应 则ID的修正方程 工作在饱和区时 MOS管的正向受控作用 服从平方律关系式 其中 称沟道长度调制系数 其值与l有关 通常 0 005 0 03 V 1 返回 第三章场
8、效应管 特点 相当于MOS管三个电极断开 沟道未形成时的工作区 条件 VGS VGS th ID 0以下的工作区域 IG 0 ID 0 击穿区 VDS增大到一定值时 漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增 VDS 沟道l 对于l较小的MOS管 穿通击穿 截止区 返回 返回 第三章场效应管 VGS th 3V VDS 5V 转移特性曲线反映VDS为常数时 VGS对ID的控制作用 可由输出特性转换得到 VDS 5V 转移特性曲线中 ID 0时对应的VGS值 即开启电压VGS th 3 2 2NEMOS管转移特性曲线 返回 第三章场效应管 VDS 0 VGS正 负 零均可 外部工作条件 DMOS管在饱和区与非
9、饱和区的ID表达式与EMOS管相同 PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反 NDMOS管伏安特性 返回 第三章场效应管 NJFET管伏安特性 ID 0时对应的VGS值 夹断电压VGS off VGS 0时对应的ID值 饱和漏电流IDSS PJFET与NJFET的差别仅在于电压极性与电流方向相反 在饱和区时的数学模型 返回 第三章场效应管 VDS极性取决于沟道类型 N沟道 VDS 0 P沟道 VDS 0 VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管 VGS与VDS极性相同 耗尽型MOS管 VGS取值任意 饱和区数学模型 饱和区 放大区 外加电压极性及数学模型 结型FET管
10、 VGS与VDS极性相反 MOSFET JFET 几种FET管子的转移特性曲线比较 第三章场效应管 N沟道 VDS 0 ID mA VGS V VGS th VGS th VGS off VGS th VGS th VGS off P沟道 VDS 0 ID mA VGS V 结型 结型 耗尽型 耗尽型 增强型 增强型 增强型MOS管 VGS与VDS极性相同 耗尽型MOS管 VGS取值任意 结型FET管 VGS与VDS极性相反 返回 第三章场效应管 3 3场效应管的使用注意事项 由于MOS管COX很小 因此当带电物体 或人 靠近金属栅极时 感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大的电压VGS Q C
11、OX 使绝缘层击穿 造成MOS管永久性损坏 MOS管保护措施 分立的MOS管 各极引线短接 烙铁外壳接地 MOS集成电路 D1D2一方面限制VGS间最大电压 同时对感生电荷起旁路作用 第三章场效应管 3 4场效应管的等效电路 3 4 1FET直流简化电路模型 与三极管相对照 场效应管G S之间开路 IG 0 三极管发射结由于正偏而导通 等效为VBE on FET输出端等效为压控电流源 ID受VGS控制 三极管输出端等效为流控电流源 满足IC IB 具体电路分析 小信号等效电路 第三章场效应管 例1已知 nCOXW 2l 0 25mA V2 VGS th 2V 求ID 解 假设T工作在放大模式
12、带入已知条件解上述方程组得 VDS VDD ID RD RS 6V 因此 验证得知 VDS VGS VGS th VGS VGS th 假设成立 返回 3 4 2小信号电路模型 第三章场效应管 FET管高频小信号电路模型 当高频应用 需计及管子极间电容影响时 应采用如下高频等效电路模型 简化的小信号等效电路 第三章场效应管 rds为场效应管输出电阻 由于场效应管IG 0 所以输入电阻rgs 而三极管发射结正偏 故输入电阻rbe较小 与三极管输出电阻表达式相似 MOS管简化小信号电路模型 与三极管对照 返回 gm的含义 第三章场效应管 FET跨导 得 通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量
13、级以上 即MOS管放大能力比三极管弱 MOSFET管 JFET 返回 第三章场效应管 3 5场效应管电路的分析方法 场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似 可以采用估算法分析电路直流工作点 采用小信号等效电路法分析电路动态指标 场效应管估算法分析思路与三极管相同 只是由于两种管子工作原理不同 从而使外部工作条件有明显差异 因此用估算法分析场效应管电路时 一定要注意自身特点 估算法 MOS管截止模式判断方法 假定MOS管工作在放大模式 放大模式 非饱和模式 需重新计算Q点 非饱和与饱和 放大 模式判断方法 a 由直流通路写出管外电路VGS与ID之间关系式 c 联立解上述方程 选出合理的一组解 d 判断电路工作模式 若 VDS VGS VGS th 若 VDS VGS VGS th b 利用饱和区数学模型 第三章场效应管 第三章场效应管 小信号等效电路法 场效应管小信号等效电路分法与三极管相似 利用微变等效电路分析交流指标 画交流通路 将FET用小信号电路模型代替 计算微变参数gm rds 注 具体分析将在第四章中详细介绍 返回 第三章场效应管 场效应管与三极管性能比较
