電子技術(shù)場(chǎng)效應(yīng)管課件

第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路3.1

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管3.2

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor)3.掌握?qǐng)鲂?yīng)管的伏安特性及主要參數(shù)；本章要求：1.了解場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與類型；2.理解場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理；4.掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大電路的分析。場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)1.它是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。2.它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，3.還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。4.在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

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(hào)符號(hào)#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖所示。在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個(gè)不對(duì)稱的P+N結(jié)，即耗盡層。把兩個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極s和漏極d。夾在兩個(gè)P+N結(jié)中間的區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道（簡(jiǎn)稱溝道）。圖所示的管子的N區(qū)是電流的通道，稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。

場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)電極與三極管的三個(gè)電極的對(duì)應(yīng)關(guān)系柵極g--基極b源極s--發(fā)射極e漏極d--集電極c1.P溝道和N溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)P溝道G門(mén)極D漏極S源極gdsP溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)N溝道G門(mén)極D漏極S源極gdsN溝道結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)(2)恒流工作（電壓控制電流源）GID+RDVDDDSPN結(jié)加反向電壓（Ugs)使溝道微閉合時(shí)電流ID與UDS無(wú)關(guān)，稱恒流區(qū)。ID=IDSS（1-）2ugsvPPNNGIDIS=IDPN結(jié)PN結(jié)++-耗盡層閉合時(shí)UGS=VPRDVDDUGS電路圖等效圖(3)截止工作PNNGID=0IS=IDPN結(jié)PN結(jié)++-RDVDDUGS耗盡層完全閉合，溝道夾斷，電子過(guò)不去柵極電壓UGS大于等夾斷電壓UP時(shí)，ID=0相當(dāng)一個(gè)很大的電阻3.JFET的主要參數(shù)1）夾斷電壓VP:手冊(cè)給出是ID為一微小值時(shí)的VGS2）飽和漏極電流IDSS;VGS=0，時(shí)的IDudsidvgs=常數(shù)vgsidUds=常數(shù)?uGS?id5)極限參數(shù)：V（BR）DS、漏極的附近發(fā)生雪崩擊穿。V（BR）GS、柵源間的最高反向擊穿。PDM最大漏極允許功耗，與三極管類似。3)、電壓控制電流系數(shù)gm=4）交流輸出電阻rds=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(chǎng)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。Sect增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFET3.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET1.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管Sect增強(qiáng)型MOS管UDS一定時(shí)，UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系曲線ID=f(UGS)UDS=C(1)轉(zhuǎn)移特性曲線UDS>UGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UT)2溝道較短時(shí)，應(yīng)考慮UDS對(duì)溝道長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—導(dǎo)電因子（mA/V2)—溝道調(diào)制長(zhǎng)度系數(shù)n—溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX—單位面積柵氧化層電容W—溝道寬度L—溝道長(zhǎng)度Sn—溝道長(zhǎng)寬比K'—本征導(dǎo)電因子Sect2.特性曲線(以N溝道為例)UGS一定時(shí)，ID與UDS的變化曲線，是一族曲線

(2)輸出特性曲線ID與UDS的關(guān)系近線性ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)ID=f(UDS)UGS=C①可變電阻區(qū)：當(dāng)UGS變化時(shí)，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)②恒流區(qū)：該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變③擊穿區(qū)：UDS增加到某一值時(shí)，ID開(kāi)始劇增而出現(xiàn)擊穿。當(dāng)UDS增加到某一臨界值時(shí)，ID開(kāi)始劇增時(shí)UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)Sect當(dāng)UGS一定時(shí)，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)Sect基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時(shí)，當(dāng)UDS增加到UGDUT時(shí)，增強(qiáng)型MOS管

漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用這相當(dāng)于UDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱為預(yù)夾斷。此時(shí)的漏極電流ID

基本飽和此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。UDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上，ID基本趨于不變。

MOS管襯底的處理

保證兩個(gè)PN結(jié)反偏，源極—溝道—漏極之間處于絕緣態(tài)NMOS管—UBS加一負(fù)壓PMOS管—UBS加一正壓處理原則：處理方法：Sect2.耗盡型MOS管+++++++耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道Sect結(jié)構(gòu)UGS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UP)2溝道較短時(shí)，ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)ID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用關(guān)系式：Sect輸出特性曲線UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUGS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在UGS>0各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型Sect3.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（1）開(kāi)啟電壓UT開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。（2）夾斷電壓UP夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)UGS=UP時(shí),漏極電流為零。（3）飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。（4）直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓UGS與流過(guò)柵極電流IGS之比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管RGS約是109～1015Ω。(5)漏源擊穿電壓BUDS使ID開(kāi)始劇增時(shí)的UDS。(6)柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓Sect

（7）低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用gm的求法:①圖解法—gm實(shí)際就是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率②解析法：如增強(qiáng)型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2Sect

2.襯底跨導(dǎo)gmb反映了襯底偏置電壓對(duì)漏極電流ID的控制作用——跨導(dǎo)比Sect3.漏極電阻rds反映了UDS對(duì)ID的影響，實(shí)際上是輸出特性曲線上工作點(diǎn)切線上的斜率4.導(dǎo)通電阻Ron在恒阻區(qū)內(nèi)Sect5.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容Cgb—柵極與襯底間電容

Csd—源極與漏極間電容Csb—源極與襯底間電容Cdb—漏極與襯底間電容主要的極間電容有：Sect4.3、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGFET（MOS）分增強(qiáng)型和耗盡型兩類：各類有分NMOS和PMOS兩種：