模擬電子技術(shù)-第一章3-場效應(yīng)管-劉廣孚2

§1.5場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管（MOSFET）結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）場效應(yīng)晶體管的參數(shù)思考的問題：三極管工作時(shí)，總是從信號源吸取電流,它是一種電流控制型的器件，輸入阻抗較低。那么，場效應(yīng)管是通過什么方式來控制的？有什么特點(diǎn)？×1

場效應(yīng)管晶體管（FieldEffectTransistor——FET）是利用電場效應(yīng)來控制的有源器件，它不僅兼有一般半導(dǎo)體管體積小、重量輕、耗電省、壽命長的特點(diǎn)，還具有輸入電阻高（MOSFET最高可達(dá)1015Ω）、噪聲系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、工作頻率高、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。在近代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（IC）以及微波電路中得到廣泛應(yīng)用。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，場效應(yīng)晶體管可分兩大類：

絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）21.5.1絕緣柵場效應(yīng)晶體管N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道耗盡型MOSFETP溝道增強(qiáng)型MOSFETP溝道耗盡型MOSFET絕緣柵型場效應(yīng)管中應(yīng)用最多的是以二氧化硅作為金屬（鋁）柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層，又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFET)。√31N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用B表示。用氧化工藝生成一層SiO2薄膜絕緣層。然后用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔。擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個(gè)PN結(jié)。（綠色部分）從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D(Drain，相當(dāng)于C)，一個(gè)是源極S(Source，相當(dāng)于E)。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G(Grid，相當(dāng)于B)。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的符號如左圖所示。左面的一個(gè)襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個(gè)沒有連接，使用時(shí)需要在外部連接。42N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理對N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個(gè)方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓UGS對溝道會產(chǎn)生影響，二是漏源電壓UDS也會對溝道產(chǎn)生影響，從而對輸出電流，即漏極電流ID產(chǎn)生影響。

1．柵源電壓UGS的控制作用先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。UGS帶給柵極正電荷，會將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。同時(shí)會在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時(shí)若加上UDS，就會有漏極電流ID產(chǎn)生。反型層

顯然改變UGS就會改變溝道，從而影響ID，這說明UGS對ID的控制作用。

當(dāng)UGS較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS，也不能形成ID。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時(shí)，對應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。5

2．漏源電壓UDS的控制作用設(shè)UGS＞UGS(th)，增加UDS，此時(shí)溝道的變化如下。顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS后，UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后，在漏源之間會形成一個(gè)傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)，ID會不斷增加,同時(shí)，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)，漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí)ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。此時(shí)ID只受UGS控制，進(jìn)入線性放大區(qū)。63N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條，轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線。1)．轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系，可用這個(gè)關(guān)系式來表達(dá)，這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm稱為跨導(dǎo)。這是場效應(yīng)三極管的一個(gè)重要參數(shù)。單位mS（mA/V）72)．漏極輸出特性曲線

當(dāng)UGS＞UGS(th)，且固定為某一值時(shí)，反映UDS對ID的影響，即ID=f(UDS)UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。場效應(yīng)三極管作為放大元件使用時(shí)，是工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出UDS對ID的影響很小。但是改變UGS可以明顯改變漏極電流ID，這就意味著輸入電壓對輸出電流的控制作用。曲線分五個(gè)區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)（5）過損耗區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)過損耗區(qū)8從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線，過程如下：94N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)UGS=0時(shí)，對應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)UGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時(shí)也用UP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。夾斷電壓IDSS10關(guān)于場效應(yīng)管符號的說明：N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開，表示零柵壓時(shí)溝道不通。表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時(shí)溝道已經(jīng)連通。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。沒有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。111.5.2結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)工作原理

輸出特性轉(zhuǎn)移特性

主要參數(shù)1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2

JFET的特性曲線及參數(shù)

(JunctiontypeFieldEffectTransisstor)12

源極，用S或s表示N型導(dǎo)電溝道漏極，用D或d表示

P型區(qū)P型區(qū)柵極，用G或g表示柵極，用G或g表示符號符號1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)#

符號中的箭頭方向表示什么？132.工作原理（以N溝道為例）vDS=0V時(shí)NGSDvDSVGSNNPPiDPN結(jié)反偏，VGS越負(fù),則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。①VGS對溝道的控制作用14VDSNGSDVGSPPiDVGS達(dá)到一定值時(shí)耗盡區(qū)碰到一起，DS間的導(dǎo)電溝道被夾斷。當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP（或VGS(off)）。

VGS繼續(xù)減小(更負(fù))對于N溝道的JFET，VP<0。15NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V時(shí)PP②VDS對溝道的控制作用當(dāng)VGS=0時(shí)，VDSiDG、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。16NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大iD當(dāng)VDS增加到使VGD=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)VDS夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變17GSDVDSVGSPPiDN③

VGS和VDS同時(shí)作用時(shí)VGS越小(越負(fù))耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。iD減小。當(dāng)VP<VGS<0時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對于同樣的VDS，

iD的值比VGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處VGD=VGS-VDS=VP18綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，

所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。19#

JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？2JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性VP1.輸出特性20①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：③低頻跨導(dǎo)gm：或3.主要參數(shù)漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對應(yīng)的漏極電流。低頻跨導(dǎo)反映了vGS對iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rd：213.主要參數(shù)⑤直流輸入電阻RGS：對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥最大漏源電壓V(BR)DS⑦最大柵源電壓V(BR)GS221.N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP夾斷電壓飽和漏極電流小結(jié)（JFET管）23輸出特性曲線iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線-2V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)預(yù)夾斷曲線擊穿區(qū)24轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓2P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號柵源端加正電壓漏源端加負(fù)電壓25予夾斷曲線iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線0P溝道結(jié)型場效應(yīng)管26結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。27雙極型晶體管場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型C與E一般不可互換使用絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道結(jié)型N溝道P溝道D與S，有的型號可互換使用載流子多子擴(kuò)散，