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1、1.4 1.4 场效应管场效应管1.4.1 绝缘栅场效应管的工作原理1.4.2 伏安特性曲线1.4.3 结型场效应管1.4.4 场效应管的参数和型号1.4.5 三极管和场效应管的比较 场效应管是仅由一种载流子多子参与导电的半导体器件，是一种场效应管是仅由一种载流子多子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。沟道器件。 从场效应管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应管JFET
2、 2.绝缘栅型场效应管也称金属氧化物半导体管MOSFET D为漏极，相当于c; G为栅极，相当于b； S为源极，相当于e。1.4.1 绝缘栅场效应管的工作原理绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管MOSFET。分为。分为 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 (1)N沟道增强型MOSFET 结构 N沟道增强型 MOSFET结构示意图gdsb 当VGS=0V时，漏源之间相当于两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线。当VGSVGS(th)
3、时（ VGS(th) 称为开启电压) 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。栅源电压比较强感生沟道或反形层感生沟道或反形层 的形成，的形成，将漏极和源极沟通。将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。工作原理 1栅源电压VGS的控制作用 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS) ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线 当V
4、DS为0或较小时，相当于VGDVon，沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 当VDS增加到使VGD=Von时，沟道如图。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。 当VDS增加到VGDVon时，沟道如图。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。 2漏源电压漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS漏极输出特性曲线ID=f(VDS)VGS=const 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，
5、即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图。这一曲线称为漏极输出特性曲线。漏极输出特性曲线(2)N沟道耗尽型MOSFET掺杂了大量的掺杂了大量的杂质正离子杂质正离子(3)P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。1.4.2 1.4.2 结型场效应管结型场效应管 (1)结型场效应管的结构 结型场效应管的结构gds在在N型半导体两边，掺杂高型半导体两边，掺杂高浓度的浓度的P区，把两个区，把两个P型区并型区并联，引出一个电极联，引出一个电极栅极栅极P型半导体
6、两端各引出一型半导体两端各引出一个电极个电极源极源极漏极漏极栅极栅极g-基极基极b漏极漏极d-集电极集电极c 源极源极s-射极射极egsdPPN (2) (2) 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 根据结型场效应管的结构，因它没有绝缘层，PN结只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。 栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用 即即vGS对对iDS的控制的控制gsdPPN 漏源电压对沟道的影响漏源电压对沟道的影响 即即vDS对对iDS的影响的影响在在N沟道场效应管中起导电作用的是沟道中的多子电子，在沟道场效
7、应管中起导电作用的是沟道中的多子电子，在P沟道沟道场效应管中起导电作用的是沟道中的多子空穴，在一个场效应管场效应管中起导电作用的是沟道中的多子空穴，在一个场效应管中只有一种极性的多数载流子参与导电，因此场效应管称为单极型中只有一种极性的多数载流子参与导电，因此场效应管称为单极型三极管。三极管。 栅源电压栅源电压vGS对漏极电流对漏极电流iDS的控制作用的控制作用栅源之间反偏电压越大栅源之间反偏电压越大PN结的耗尽层越厚，向结的耗尽层越厚，向N区扩展区扩展沟道越窄沟道越窄沟道电阻越大沟道电阻越大gsdPPN当栅源之间反偏电压继续增大当栅源之间反偏电压继续增大两边的耗尽层相遇两边的耗尽层相遇沟道全
8、部被夹断沟道全部被夹断使两边耗尽层刚好相遇时的栅源电压使两边耗尽层刚好相遇时的栅源电压叫夹断电压，用叫夹断电压，用Vp或或VOff表示。表示。gsdPPN 漏源电压漏源电压vDS对对iDS的影响当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向延长。当栅源电压VGSVGS(off)，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。gsdPPNgsdPPN(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线N沟道结型场效应管的特性曲线 (3)(3)结型
9、场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 JFET的特性曲线与MOSFET的特性曲线基本相同，而结型场效应管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。1.4.4 1.4.4 场效应管的参数和型号场效应管的参数和型号(1) (1) 场效应管的参数场效应管的参数 开启电压VGS(th) (或VT) 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值压的绝对值, 场效应管不能导通。场效应管不能导通。 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应
10、管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 输入电阻RGS 场效应管的栅源输入电阻的典型值场效应管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应管，对于结型场效应管，反偏时反偏时RGS约大于约大于107，对于绝缘栅型场效应管对于绝缘栅型场效应管, RGS约是约是1091015。 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。子管的控制作用相似。gm可以在转可以在转 移特性曲线上求取，单位是移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，
11、与双极型三极管的决定，与双极型三极管的PCM相当。相当。各类场效应管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型伏安特性曲线伏安特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型1.4.5 1.4.5 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm) 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成例：用数字电压表测得VB =4.5 V 、VE = 3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态。
