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1、1.4 场效应管及其放大电路,1.4.1 结型场效应管,1.4.2 绝缘栅型场效应管,1.4.3 场效应管的主要参数,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,场效应管(FET：field effect transistor),场效应管(FET)是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。由于它仅靠半导体中多数载流子导电， 又称单极型晶体管(普通晶体管靠半导体中多子和少子两种载流子导电，故称双极型晶体管)。,根据结构不同，场效应管分为两大类：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。,N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（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅
2、极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,1.4.1 结型场效应管,导电沟道,源极,栅极,漏极,1. 符号和 结构示意图,(2) 漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响, UGS(off) uGS 0(存在导电沟道) 若uDS=0,多子不会产生定向移动,因而漏极电流iD 为零。 若uDS加正向电压，使N沟道中的多数载流子（电子）在电场力作用下，由源极向漏极运动，形成漏极电流iD，使沟道电压从源极到漏极逐渐增大，靠近漏极处的耗尽层增宽，沟道变窄，沟道呈楔形。,沟道呈楔形, uGD=uGS-uDS， uDSuG
3、D耗尽层靠拢，iD随uDS增大而增大，呈现电阻特性。,当uDS增加到使uGD= UGS(off) 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,预夹断,预夹断后， uDS夹断长度，但由于电场的作用，仍能将电子拉过夹断区形成iD。而此时夹断区长度增加又限制了iD增加，使iD基本不变，呈恒流特性。,(2) 漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响,(3) uGD UGS(off)时, uGS对iD的控制,uGD=uGS-uDS uGS-UGS(off)， iD基本不随uDS的增加而增大，漏极电流iD趋于饱和，输出电流iD受uGS控制，故场效应管是一种电压控制元件。,低频跨导：,场效应管用低频跨导gm来描述动态的栅源电
4、压对漏极电流的控制作用；晶体管用交流电流放大系数=iC/ iB来描述动态的基极电流对集电极电流的控制作用，故称晶体管为电流控制元件。,结型场效应管小结,1. 当uDS使uGD UGS(off)（即g-d间未出现夹断），对应不同的uGS，d-s间等效为不同阻值电阻。 2. 当uDS使uGD = UGS(off), d-s间预夹断。 3. 当uDS使uGD UGS(off), iD电流由uGS 决定，与uDS无关。将 iD近似看成uGS控制的电流源。,uGD=uGS-uDS比较uGD和UGS(off),漏-源电压对漏极电流的影响,uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。,预夹断,uGD
5、UGS（off）,VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,uGDUGS（off）,uGDUGS（off）,输出特性曲线,场效应管有三个工作区：可变电阻区、恒流区、夹断区,预夹断轨迹 uGDUGS（off）,可变电阻区,可变电阻区：预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。 它是在uDS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大而线性上升，场效应管漏源之间可看成一个线性电阻。改变uGS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受uGS控制的可变电阻区。,g-s电压控制d-s等效电阻
6、,输出特性曲线,恒流区：又称为放大区或饱和区。它是在uDS较大，导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。 其特点是：uGS不变，iD随uDS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。若取uGS为不同值时，特性曲线是一族平行线。,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,因此，在该区域iD可视为一个受电压uGS控制的电流源。 JFET用作放大管时， 一般就工作在这个区域。,输出特性曲线,夹断电压,夹断区：当uGSuGS（off）时，导电沟道全部夹断，iD0，场效应管处于截止状态，即图中靠近横轴的区域。将iD等于很小电流时的uGS定义为夹断电压UGS(off)。,夹断区（
7、截止区）,击穿区：当uDS增大到一定数值以后，iD迅速上升所对应的区域为击穿区。栅漏击穿电压记为U(BR)GD。通常不允许场效应管工作在击穿区， 否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的uDS值称为漏源击穿电压，记为U(BR)DS，U(BR)DS=uGS-U(BR)GD。,击 穿 区,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性曲线,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,饱和漏 极电流,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,在恒流区中iD 的近似表达
8、式：,转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。由于在恒流区内，不同uDS作用下iD基本不变。因此可以用一条转移特性曲线来表示恒流区内iD与uGS的关系。在输出特性曲线的恒流区中作一条垂直于横轴的垂线。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应管在UDS一定的条件下iD与uGS关系。,1.4.2 绝缘栅型场效应管,在结型场效应管中，栅极与源极之间PN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是PN结反偏时总会有反向电流存在，而且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高，这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管。,根据绝缘层所用材料的不
9、同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层， 称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET, MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称MOS管。,1.4.2 绝缘栅型场效应管,uGS对导电沟道的影响: uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。使沟道刚刚形成的栅源电压称为开启电压UGS（th）。,结构和电路符号:,SiO2绝缘层,衬底,耗尽层,空穴,高掺杂,反型层,大到一定值才开启,一、N沟道增强型MOS管,uDS对iD的影响:,用场效应管组
10、成放大电路时应使之工作在恒流区。,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,二、 N沟道耗尽型MOS管,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,uGS小到一定值才夹断，为夹断电压UGS（OFF）,uGS=0时就存在导电沟道,结构和电路符号:,三、MOS管的特性,(1)增强型MOS管,(2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,场效应管的分类,工作在恒流区时
11、g-s、d-s间的电压极性,1.4.3 场效应管的主要参数,1直流参数 （1）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5）时的uGS。 它是增强型MOSFET的参数。 （2）夹断电压UGS(off)：uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5A）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。 （3）饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在uGS=0产生预夹断时的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般J
12、FET的RGS(DC)107，而MOSFET的RGS(DC)109 。,2.交流参数,（1） 低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量iD和引起它变化的微变量uGS之比，即,（2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。 通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为 13 pF，而漏-源间极间电容Cds约为 0.11 pF。 它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。,gm 是转移特性曲线某一点切线的斜率，由于转移特性曲线的非线性,因而iD越大， gm越大。,3极限参数,（1）最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。 （2）击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS管子进入恒流区后，使iD急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。栅源击穿电压U(BR)GS对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值。 （3）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。,1.4.4 场效应管和晶体管的比较,讨论,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,
