模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第章常用半導體器件場效應(yīng)管

1.4.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第1章常用半導體器件1.4場效應(yīng)管12/24/2022作業(yè)1-141-151-1612/24/2022場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管的學習方法場效應(yīng)管的分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述12/24/2022場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景1947年貝爾實驗室的科學家發(fā)明的雙極型三極管代替了真空管，解決了當時電話信號傳輸中的放大問題。但是這種放大電路的輸入電阻還不夠大，性能還不夠好。因此，貝爾實驗室的科學家繼續(xù)研究新型的三極管，在1960年發(fā)明了場效應(yīng)管。場效應(yīng)管的輸入電阻比雙極型三極管要大得多,場效應(yīng)管的工作原理與雙極型三極管不同。12/24/2022場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當作電壓控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。三是當作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是當作電流控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關(guān)元件。12/24/2022場效應(yīng)管的學習方法學習中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們的相同點和不同點。場效應(yīng)管的柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管的基極、集電極、發(fā)射極對應(yīng)。場效應(yīng)管與雙極型三極管的工作原理不同,但作用基本相同。場效應(yīng)管還可以當作非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。12/24/2022N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管FET結(jié)型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應(yīng)管的分類12/24/2022一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理三、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及參數(shù)第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理12/24/2022一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極12/24/2022二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)的工作原理參考方向做如下約定:12/24/2022（1）電壓源源UGS和電壓源UDS都不起作用，，電壓值均為為0；（2）只有電電壓源UGS起作用，電壓壓源UDS的電壓值為0；（3）只有電電壓源UDS起作用，電壓壓源UGS的電壓值為0；（4）電壓源源UGS和電壓源UDS同時起作用。。在給出各種情情況下的結(jié)型型場效應(yīng)管的的工作狀態(tài)時時，同時畫出出對應(yīng)的輸出出特性曲線。。特別注意:電壓參考方向向和電流參考考方向的約定定方法。參考方向可以以任意約定,不同的約定定方法得到不不同樣式的特特性曲線.書書上的特性曲曲線是按前面面的方法來約約定參考方向向的。按照如下的思思路來講解：：12/18/2022（1）UDS=0伏、UGS=0伏時JFET的工工作狀態(tài)導電溝道從漏漏極到源極平平行等寬。最寬這時導電溝道道的電阻記為為R1。12/18/2022（2）在在UDS=0伏的前提提下：│UGS│從0伏逐漸漸增加過程中中，JFET的工作狀態(tài)態(tài)（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐漸增加UGS=-1伏此時導電溝道道從漏極到源源極平行等寬寬這時的導電溝溝道的電阻用用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結(jié)施加加的是一個反反偏電壓12/18/2022（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐漸增加至UGS=Up（夾斷電壓））當│UGS│逐漸增加至至UGS=Up時（不妨取Up=-3伏）），由UGS產(chǎn)生的PN結(jié)結(jié)左右相接，，使導電溝道道完全被夾斷斷。這時的結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管管處于截止狀狀態(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管的一個參參數(shù)，稱為夾夾斷電壓。12/18/2022（2.3）UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，，結(jié)型場效應(yīng)應(yīng)管進入擊穿穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)結(jié)上的反偏電電壓超過U（BR）DS時，結(jié)型場效效應(yīng)管將進入入擊穿狀態(tài)。。12/18/2022（3）在UGS=0伏的前提提下，分別討討論UDS由小變大的過過程中JFET的幾種工工作狀態(tài)（3.1））UGS=0伏:UDS的值比較小時時UDS給PN結(jié)施加加的是一個反反偏電壓12/18/2022導電溝道不再再是上下平行行等寬，而是是上窄下寬。。當UDS比較小時，導電溝道不不會被夾斷。。在導電溝道沒沒有被夾斷之之前，可以近近似地認為導導電溝道的電電阻均為R1，此時導電溝溝道可以認為為是一個線性性電阻。12/18/2022（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│時PN結(jié)在靠近近漏極的一點點最先相接，，導電溝道被被預(yù)夾斷。對應(yīng)輸出特特性曲線中的的A點。此時時溝道中的電電流為可能的的最大的電流流，稱為飽和和漏極電流，，記作IDSS。12/18/2022（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加12/18/2022當電壓源UDS增加時，可以以近似認為漏漏極電流不隨隨UDS的增加而增加加。此時的電電流仍然是IDSS，JFET管管的狀態(tài)稱為為恒流狀態(tài)（（放大狀態(tài)、、飽和狀態(tài)））。此時場效應(yīng)管管可當作電壓壓控制器件用用來組成放大大電路。12/18/2022（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DSPN結(jié)上的反反偏電壓超過過某值時，結(jié)結(jié)型場效應(yīng)管管將進入擊穿穿狀態(tài)，如圖圖中的B點所所示。此時的的UDS值為最大漏源源電壓，記為為U（BR）DS。12/18/2022(4)在在UGS=-1伏伏（（即即││UGS│<││Up│的的某某個個值值））的的前前提提下下，，當當UDS由小小變變大大時時，，JFET的的狀狀態(tài)態(tài)(4.1)UGS=-1伏伏、、UDS的值值比比較較小小時時導電電溝溝道道不不再再是是上上下下平平行行等等寬寬，，而而是是上上窄窄下下寬寬。。近近似似地地認認為為導導電電溝溝道道的的電電阻阻均均為為R2，導導電電溝溝道道呈呈現(xiàn)現(xiàn)線線性性電電阻阻的的性性質(zhì)質(zhì)。。12/18/2022(4.2)UGS=-1伏、、UDS的值值增增加加至至某某值值開開始始出出現(xiàn)現(xiàn)預(yù)預(yù)夾夾斷斷如圖圖所所示示，，當當UDS的值值增增加加至至某某值值（（此此值值比比││Up│小?。r時，，兩兩邊邊的的PN結(jié)結(jié)在在靠靠近近漏漏極極的的某某點點最最先先相相接接，，導導電電溝溝道道被被預(yù)預(yù)夾夾斷斷,在在此此點點有有││UGS│+UDS=││Up│。。JFET的的狀狀態(tài)態(tài)對對應(yīng)應(yīng)輸輸出出特特性性曲曲線線中中的的M點點。。M點點對對應(yīng)應(yīng)的的UDS值比比A點點對對應(yīng)應(yīng)的的UDS值小小，，因因為為UDS=││Up│-││UGS│<││Up│。。12/18/2022(4.3)UGS=-1伏伏、、UDS的值值繼繼續(xù)續(xù)增增加加當UDS繼續(xù)續(xù)增增加加時時，，兩兩邊邊PN結(jié)結(jié)相相接接的的區(qū)區(qū)域域繼繼續(xù)續(xù)向向源源極極方方向向擴擴展展，，此此時時導導電電溝溝道道在在靠靠近近源源極極的的區(qū)區(qū)域域依依然然存存在在，，導導電電溝溝道道對對應(yīng)應(yīng)的的電電阻阻比比較較小小。。漏漏極極電電流流不不隨隨UDS的增增加加而而增增加加。。12/18/2022(4.4））UGS=-1伏伏、、UDS繼續(xù)續(xù)增增加加至至出出現(xiàn)現(xiàn)PN結(jié)結(jié)擊擊穿穿UGS和UDS電壓壓源源分分別別使使PN結(jié)結(jié)反反偏偏，，它它們們共共同同作作用用使使靠靠近近漏漏極極的的PN結(jié)結(jié)承承受受最最大大的的反反偏偏電電壓壓，，UDS增加加使使PN結(jié)結(jié)上上的的反反偏偏電電壓壓過過大大時時，，在在靠靠近近漏漏極極的的區(qū)區(qū)域域首首先先出出現(xiàn)現(xiàn)反反向向擊擊穿穿。。結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管進進入入反反向向擊擊穿穿狀狀態(tài)態(tài)，，此此時時的的UDS值比比UGS=0時時出出現(xiàn)現(xiàn)反反向向擊擊穿穿的的UDS小。。12/18/2022(5)當當UGS≤UP時，，JFET處處于于截截止止狀狀態(tài)態(tài)當UGS≤UP時，，導導電電溝溝道道全全部部被被夾夾斷斷，，JFET處處于于截截止止狀狀態(tài)態(tài)，，在在數(shù)數(shù)字字電電路路中中作作為為開開關(guān)關(guān)元元件件的的一一個個狀狀態(tài)態(tài),對對應(yīng)應(yīng)于于開開關(guān)關(guān)斷斷開開。。不同同UGS下預(yù)預(yù)夾夾斷斷點點相相連連成成一一條條曲曲線線，，此此曲曲線線與與縱縱軸軸相相夾夾的的區(qū)區(qū)域域稱稱為為可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)。。此此時時場場效效應(yīng)應(yīng)管管當當作作壓壓控控可可變變電電阻阻，，即即非非線線性性電電阻阻來來使使用用。?？煽勺冏冸婋娮枳鑵^(qū)區(qū)在在數(shù)數(shù)字字電電路路中中作作為為開開關(guān)關(guān)元元件件的的一一個個狀狀態(tài)態(tài)，，相相當當于于開開關(guān)關(guān)閉閉合合，，此此時時的的UDS記為UDS（（sat）），UDS（（sat））≤│Up│。12/18/2022JFET的三三個狀態(tài)恒流區(qū)（放大大區(qū)、飽和區(qū)區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)12/18/2022小結(jié)溝道中只有一一種類型的多多數(shù)載流子參參與導電，所所以場場效應(yīng)管也也稱為單極型型三極管。JFET是電壓控制電電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)關(guān)系；預(yù)夾斷斷后，iD趨于飽和。思考：為什么JFET的輸入電電阻比BJT高得多？JFET柵極極與溝道間的的PN結(jié)是反反向偏置的，，因此iG0，輸入電阻很很高。JFET是利利用PN結(jié)反反向電壓對耗耗盡層厚度的的控制，來改改變導電溝道道的寬窄，從從而控制漏極極電流的大小小。12/18/2022場效應(yīng)管的應(yīng)應(yīng)用小結(jié)一是當作壓控控可變電阻，，即非線性電電阻來使用，，VGS的絕對值越大大，導電溝道道就越窄，對對應(yīng)的導電溝溝道電阻越大大，即電壓VGS控制電阻的大大小，管子工工作在可變電電阻區(qū)，當作作壓控可變電電阻使用時，，導電溝道還還沒有出現(xiàn)預(yù)預(yù)夾斷；二是當作電壓壓控制器件用用來組成放大大電路，VGS電壓控制漏極極電流的大小小，控制比例例系數(shù)為gm,VGS電壓的絕對值值越大，漏極極電流越小，，管子工作在在恒流區(qū)（放放大區(qū)、飽和和區(qū)），此時時導電溝道已已經(jīng)出現(xiàn)預(yù)夾夾斷，夾斷區(qū)區(qū)域向漏極方方向延伸，但但是仍然留存存一部分導電電溝道；三是在數(shù)字電電路中用做開開關(guān)元件，管管子工作在可可變電阻區(qū)和和截止區(qū)，有有兩個明確、、穩(wěn)定的狀態(tài)態(tài)。漏極和源源極相當于開開關(guān)的兩個觸觸點，在可變變電阻區(qū)，相相當于開關(guān)閉閉合，在截止止區(qū)，相當于于開關(guān)斷開，，場效應(yīng)管相相當于一個無無觸點的開關(guān)關(guān)。12/18/2022第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)應(yīng)管（IGFET)的結(jié)結(jié)構(gòu)和工作原原理一、IGFET的結(jié)結(jié)構(gòu)12/18/2022MOS場效應(yīng)管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管MOS場效應(yīng)應(yīng)管分類12/18/202212/18/202212/18/2022二、增強強型MOS場場效應(yīng)管一N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)二N溝道增強型MOS的工作原理理三N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特特性曲線12/18/2022一、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)漏極D→集電電極C源極S→發(fā)射射極E絕緣柵極G→→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化化物基體—半導體體因此稱之為MOS管12/18/2022P溝道道增強型型MOS場場效應(yīng)應(yīng)管結(jié)結(jié)構(gòu)12/18/2022二、N溝溝道增強型型MOS的的工作作原理理12/18/2022按照如如下的的思路路來講講解：：（1））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS都不起起作用用，電電壓值值均為為0；；（2））只有有電壓壓源VGS起作用用，電電壓源源VDS的電壓壓值為為0；；（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為0；；（4））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS同時起起作用用。在給出出各種種情況況下的的MOS場場效應(yīng)應(yīng)管的的工作作狀態(tài)態(tài)時，，同時時畫出出對應(yīng)應(yīng)的輸輸出特特性曲曲線。。12/18/2022（1））電壓壓源VGS和電壓壓源VDS都不起起作用用，電電壓值值均為為0；；當VGS=0V，，VDS=0V時，漏漏源之之間相相當兩兩個背背靠背背的PN結(jié)結(jié)12/18/2022（2））只有有電壓壓源VGS起作用用，電電壓源源VDS的電壓壓值為為0；；（2.1））當當VDS=0V，VGS較小時，雖然在在P型型襯底底表面面形成成一層層耗盡層層，但負負離子子不能能導電電。（2.2））當當VDS=0V，當VGS=VT時，在在P型型襯底底表面面形成成一層層電子層層，形成成N型型導電電溝道道12/18/2022（2.3））當VDS=0V，VGS>VT時,溝溝道道加厚厚開始時時無導導電溝溝道，，當在在VGSVT時才形形成溝溝道,這種種類型型的管管子稱稱為增增強型型MOS管管12/18/2022（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為大于于開啟啟電壓壓的某某值（3.1））電壓源源VDS的值較較小導電溝溝道在在靠近近源極極的一一邊較較寬，，導電電溝道道在靠靠近漏漏極的的一邊邊較窄窄，呈呈現(xiàn)楔楔型，，此時時導電電溝道道的電電阻近近似認認為與與平行行等寬寬時的的一樣樣。對對應(yīng)特特性曲曲線的的可變變電阻阻區(qū)電壓源源VDS的作用用使導導電溝溝道有有電流流流通通，電電流的的流通通使導導電溝溝道從從漏極極到源源極有有電位位降12/18/2022（3））只有有電壓壓源VDS起作用用，電電壓源源VGS的電壓壓值為為0（3.2））電壓源源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT導電溝溝道在在靠近近漏極極的一一點剛剛開始始出現(xiàn)現(xiàn)夾斷斷，稱稱為預(yù)預(yù)夾斷斷。此時的的漏極極電流流ID基本飽飽和。。vDS(V)iD(mA)12/18/2022（3.3））電壓源源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導電溝溝道夾夾斷的的區(qū)域域向源源極方方向延延伸，，對應(yīng)應(yīng)特性性曲線線的飽飽和區(qū)區(qū)，VDS增加的的部分分基本本降落落在隨隨之加加長的的夾斷斷溝道道上，，ID基本趨趨于不不變。。vDS(V)iD(mA)12/18/2022三、N溝道道增強型型MOS場場效應(yīng)應(yīng)管特特性曲曲線增強型型MOS管管iD=f(vGS)vDS=C轉(zhuǎn)移特特性曲曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特特性曲曲線vDS(V)iD(mA)當vGS變化時時，RON將隨之之變化化，因因此稱稱之為為可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流流區(qū)區(qū)(飽飽和和區(qū)區(qū))：：vGS一定定時時，，iD基本本不不隨隨vDS變化化而而變變化化。。vGS/V12/18/2022三、耗耗盡型型MOS場效應(yīng)應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)應(yīng)管結(jié)構(gòu)構(gòu)二N溝道耗盡型MOS的工作作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)應(yīng)管特性性曲線12/18/2022一、N溝溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管結(jié)構(gòu)12/18/2022P溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管結(jié)構(gòu)12/18/2022二、N溝溝道耗盡型MOS場場效應(yīng)管管工作原原理當VGS=0時，，VDS加正向電電壓，產(chǎn)產(chǎn)生漏極極電流iD,此時的的漏極電電流稱為為漏極飽飽和電流流，用IDSS表示。當VGS＞0時,將使iD進一步增增加。當VGS＜0時，，隨著VGS的減小漏漏極電流流逐漸減減小，直直至iD=0，對對應(yīng)iD=0的VGS稱為夾斷斷電壓，，用符號號VP表示。。VGS(V)iD(mA)VPN溝道道耗盡型型MOS管管可工工作在在VGS0或或VGS>0N溝道道增強型型MOS管管只能能工作作在VGS>012/18/2