結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管介紹

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管介紹第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。特點(diǎn)：輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性能好、抗輻射能力強(qiáng)。主要用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。單極型晶體管

常用于數(shù)字集成電路第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管分類：第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.1結(jié)型場(chǎng)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)

4.1.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

4.1.2

JFET的特性曲線及參數(shù)

(JunctiontypeFieldEffectTransisstor)第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

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)4.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)#

符號(hào)中的箭頭方向表示什么？第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.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(duì)溝道的控制作用第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四VDSNGSDVGSPPiDVGS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(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。

VGS繼續(xù)減小對(duì)于N溝道的JFET，VP<0。第7頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V時(shí)PP②VDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)VGS=0時(shí)，VDSiD

G、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。第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四NGSDVDSVGSPP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(zhǎng)溝道電阻ID基本不變第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四GSDVDSVGSPPiDN③

VGS和VDS同時(shí)作用時(shí)VGS越小耗盡區(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(duì)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=VP第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四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。4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管#

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。第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管#

JFET有正常放大作用時(shí)，溝道處于什么狀態(tài)？4.1.2JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性VP1.輸出特性第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：③低頻跨導(dǎo)gm：或4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.主要參數(shù)漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)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：第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.主要參數(shù)⑤直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)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)GS第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.N溝道結(jié)型場(chǎng)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）第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輸出特性曲線iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線-2V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)予夾斷曲線擊穿區(qū)第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGS符號(hào)柵源端加正電壓漏源端加負(fù)電壓第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四予夾斷曲線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(chǎng)效應(yīng)管第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四結(jié)型場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問(wèn)題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。*4.2砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-SmeiconductorField-EffectTransistor)MESFET以N溝道為主第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

MOSFET(Metal-Oxide-semiconductortypeFieldEffectTransistor)特點(diǎn)：輸入電阻很高，最高可達(dá)到1015歐姆。表面場(chǎng)效應(yīng)器件MOSFET絕緣柵型(IGFET)增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道耗盡型是當(dāng)vGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD≠0.增強(qiáng)型是當(dāng)vGS=0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道，iD=0。第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管:(MOS)1結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)PNNgsdP型硅襯底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁gsd4.3.1N汮道增強(qiáng)型MOSFET三個(gè)鋁電極柵極與漏極、源極無(wú)電接觸。第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)iD=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)(1)VGS改變感生溝道電阻以控制iD的大小。第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PNNGSDVDSVGSVGS>0時(shí)VGS足夠大時(shí)（VGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電或開(kāi)啟電壓：在VDS作用下開(kāi)始導(dǎo)電的VGS。第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四VGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來(lái)，VGS越大此電阻越小。PNNGSDVDSVGSVDS>0時(shí)iD第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PNNGSDVDSVGS當(dāng)VDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)VDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。（2）VDS改變iD第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四PNNGSDVDSVGS夾斷后，即使VDS繼續(xù)增加，iD仍呈恒流特性。iDVDS增加，VGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（1）輸出特性曲線iDVDS0VGS>03.增強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.增強(qiáng)型N溝道MOS管的特性曲線(2)轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVTvDS=10V(3)計(jì)算公式第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四NPPgsdgsdP溝道增強(qiáng)型4.參數(shù)見(jiàn)表4.1.1柵源端加負(fù)電壓漏源端加負(fù)電壓第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.N溝道耗盡型予埋了導(dǎo)電溝道（正離子），在P型襯底表面形成反型層（N型）?！嘣趘GS＝0時(shí)，就有感生溝道，當(dāng)VDS＞0時(shí)，則有iD通過(guò)。gsdNgsdPNeee4.3.2

耗盡型MOSFET第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.P溝道耗盡型NPPgsdgsd予埋了導(dǎo)電溝道（負(fù)離子）第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3.耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的N溝道MOS管VGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線0iDVGSVP第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四輸出特性曲線iDvDS0vGS=0vGS<0vGS>04.3.3各種FET的特性比較及使用注意事項(xiàng)。（見(jiàn)P173－P175）柵源電壓可正可負(fù)。第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路直流偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)

FET小信號(hào)模型動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析

三種基本放大電路的性能比較

4.4.1

FET的直流偏置及靜態(tài)分析

4.4.2

FET放大電路的小信號(hào)模型分析法

第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1.直流偏置電路4.4.1FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析（1）自偏壓電路（2）分壓式自偏壓電路vGSvGSvGSvGSvGSVGS=-IDR第35頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2.靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)：VGS、ID、VDSVGS=VDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS如知道FET的特性曲線，也可采用圖解法。第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管4.4.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1.FET小信號(hào)模型（1）低頻模型第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（2）高頻模型第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻小信號(hào)模型第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4.4結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（2）中頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出電阻忽略rd