第五章場效應(yīng)管

1、1.3,雙極型晶體管,1.3.1,晶體管的結(jié)構(gòu)及類型,一、三極管的結(jié)構(gòu)、,分類和符號,可按頻率、功率、材料、結(jié)構(gòu)分類。,若按結(jié)構(gòu)分類，可分為,2,種：,集電極,c,集電區(qū),1. NPN,型三極管,c,b,e,三個區(qū)、兩個結(jié)、三個極,特點：基區(qū)薄，摻雜濃度低,發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高,集電區(qū)，結(jié)面積大,N,P,N,基極,b,基區(qū),發(fā)射結(jié),發(fā)射區(qū),集電結(jié),發(fā)射極,e,1.3.2,晶體管的電流放大作用,-,放大？,三極管具有電流控,制作用的外部條件,:,（,1,）發(fā)射結(jié)正向偏置；,（,2,）集電結(jié)反向偏置。,共發(fā)射極接法放大電路,I,B,B,C,對于,NPN,型三極管應(yīng)滿足,:,U,CE,U,BE, 0,

2、R,B,E,U,BC,0,U,BE,即,V,C,V,B,V,E,E,B,R,C,I,C,E,C,對于,PNP,型三極管應(yīng)滿足,:,輸入,U,EB, 0,回路,U,CB,0,即,V,C,V,B,V,E,公,共,端,輸出,回路,三極管的電流控制原理,V,BB,正極拉走電,子，補充被復(fù),合的空穴，形,成,I,B,I,C,I,CBO,I,CN,電子流向電源正極形成,I,C,N,集電區(qū)收集電子,電子在基區(qū),擴散與復(fù)合,I,BN,P,N,I,EN,發(fā)射區(qū)向基區(qū),注入電子,電源負極向發(fā)射,區(qū)補充電子形成,發(fā)射極電流,I,E,V,CC,R,B,I,B,I,EP,R,C,V,BB,I,E,三極管輸出特性上的三個

3、工作區(qū),（,1,）放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電極,反偏。特性曲線的平坦部分。,I,C,?,?,I,B,?,I,CEO,滿足,有電流控制作用。,（,2,）截止區(qū)：,I,B,0,的區(qū)域，兩結(jié)反,偏。嚴格說，,I,E,=0,即,I,C,I,CBO,的區(qū)域，管子基本不導(dǎo)電。,i,C,/,mA,80,A,放,大,60,A,40,A,飽,和,（,3,）飽和區(qū)：兩結(jié)正偏，靠近縱軸,區(qū),的區(qū)域。,I,B,增加，,I,C,不再增加，,0,不受,I,B,的控制，,I,C,只隨,U,CE,增加,而增加。,區(qū),20,A,I,B,=,0 ,A,截止區(qū),u,CE,/V,U,CE,=U,BE,稱為臨界飽和，在深度飽和時，飽和壓

4、降,U,CES,很小。,臨界飽和的估算：三個工作區(qū)的分析,1.3.5,晶體管的應(yīng)用電路舉例,例,1.3.1,現(xiàn)已測得某電路中有幾只晶體管三個極的直流電位如表,所示，各晶體管,b-e,見開啟電壓,U,on,均為,0.5V,。,試分別說明各管子的工作狀態(tài)。,晶體管,基極直流電位,U,B,/V,發(fā)射極直流電位,U,E,/V,集電極直流電位,U,C,/V,工作狀態(tài),T,1,0.7,0,5,T,2,1,0.3,0.7,飽和,T,3,-1,-1.7,0,放大,T,4,0,0,15,放大,截止,對,NPN,管，,當(dāng),U,BE,U,on,時，管子截止；,當(dāng),U,BE,U,on,且,U,CE, U,BE,(,或

5、,U,C, U,B,),，管子放大；,當(dāng),U,BE,U,on,且,U,CE,U,BE,(,或,U,C,U,B,),，管子飽和。,5,.,1,場效應(yīng)管,特點：,體積小，重量輕，耗電省，壽命長；輸入阻抗高，,噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強，制造工藝,簡單。尤其,MOS,管在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電,路中占有重要地位。,分類：,場效應(yīng)管,(FET),N,溝道,結(jié),型,(JFET),絕緣柵型,(MOSFET),P,溝道,增強型,E,型,（耗盡型）,N,溝道,P,溝道,耗盡型,D,型,N,溝道,P,溝道,5.1.1,結(jié)型場效應(yīng)管,(Junction Field Effect Transistor),一、

6、工作原理和結(jié)構(gòu),1,、結(jié)構(gòu)：,I,D,在,N,型硅棒兩端加上,一定極性的電壓，多子在,N,電場力的作用下形成電流,D,柵極,G,I,D,。在,N,型硅棒兩側(cè)做成,+,+,P,P,G,兩個高濃度的,P,+,區(qū)，并將,其連在一起，如圖。若將,S,G,、,S,間加上不同的反偏電,壓，即可改變導(dǎo)電溝道的,寬度，便實現(xiàn)了利用電壓,源極,S,所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝,道中電流強弱的目的。,圖,5.1.1 N,溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖,漏極,D,2,、工作原理,（,1,）,D,、,S,間短路，,G,、,S,間加反向電壓,U,GS,增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電,溝道變窄，電阻加大，當(dāng),U,GS,加,G,大到一定值

7、時，兩側(cè)的耗盡區(qū)幾乎碰,上，導(dǎo)電溝道仿佛被夾斷，,D,、,S,間電,阻趨于無窮大。,U,GS,此時，,U,GS,=U,GS(off),夾斷電壓,當(dāng),U,GS,U,GS(off),后，耗,盡區(qū)無明顯變化，太大會出現(xiàn)擊穿。,D,N,P,+,P,+,S,圖,5.1.2,由于,PN,結(jié)反偏，柵極電流基本為,0,，消耗很小。一般不用正偏。,（,2,）,G,、,S,間短路，,D,、,S,間加正向電壓,隨,U,DS,，,I,D,。由于電壓降，靠近,D,極,U,GD,反壓越高，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越,G,窄，呈現(xiàn)楔型。,當(dāng),U,DS,=,U,GS(off),即,U,GD,=U,GS(off),時，在漏極兩側(cè)的

8、耗盡區(qū)開始合攏，稱,為,預(yù)夾斷,。,U,DS,，,預(yù)夾斷,區(qū)變長，,U,DS,的增加部分,落在,預(yù)夾斷,區(qū)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的,I,D,基本不變,（,3,）,G,、,S,間加負電壓，,D,、,S,間加正向電壓,。,G,、,S,的負電壓使耗盡區(qū)變寬，導(dǎo)電溝,道變窄；,D,、,S,間的正電壓使耗盡區(qū)和導(dǎo),電溝道不等寬。,當(dāng),U,GD,=U,GS,-U,DS,=U,GS(off),，即,U,DS,= U,GS,-U,GS(off),時,，發(fā)生預(yù)夾斷，此后,U,GS,U,DS,，,I,D,基本不變。,圖,5.1.3,D,R,P,+,P,+,U,DS,S,R,P,+,P,+,U,DS,二、特性曲線及電流方程,

9、1,、漏極特性曲線（輸出特性曲線）,i,D,=,f,(,u,DS,),U,GS,=,常數(shù),低頻跨導(dǎo)：,i,D,/mA,4,3,預(yù)夾斷,軌跡,U,GS,=,0V,1,?,i,D,g,m,?,?,u,GS,3,i,D,/mA,可變,2,電阻區(qū),1,恒,流,區(qū),4,8,2V,3V,?,I,D,2,1,0,12,夾斷區(qū),圖,5.1.4,場效應(yīng)管的輸出特性,?,U,GS,3,2,1,0,1,U,G,s(off),2,圖,5.1.5,轉(zhuǎn)移特性,(1),可變電阻區(qū),i,D,幾乎與,u,DS,成線性關(guān)系增加，呈電阻特性。其等效電阻,可看作一個受柵源電壓,u,GS,控制的可變電阻。,(2),恒流區(qū)（飽和區(qū)）,i

10、,D,的大小受,u,GS,控制。飽和區(qū)與可變電阻區(qū)的分界線為,u,DS,= u,GS,-U,GS(off),。,(3),夾斷區(qū),u,GS,U,GS(off),，溝道被夾斷，,i,D,0,2,、轉(zhuǎn)移特性曲線,i,D,=,f,(,u,GS,),U,DS,=,常數(shù),i,D,?,I,DSS,(,1,?,u,GS,U,GS,(,off,),),2,(,U,GS,(,off,),?,u,GS,?,0,),5.1.2,絕緣柵型場效應(yīng)管,(MOSFET),一、,N,溝道增強型,MOS,管,四種類型：,1.,結(jié)構(gòu)和符號,源極,S,柵極,G,漏極,D,N,溝道增強型；,N,溝道耗盡型；,P,溝道增強型；,P,溝道

11、耗盡型。,SiO,2,+,N,P,型硅襯底,襯底引線,B,+,N,G,D,B,S,符號,圖,5.1.6,N,溝道增強型,MOS,管結(jié)構(gòu)示意圖及符號,2.,工作原理,(1),U,GS,=0,U,DS,I,D,= 0,S,+,N,耗盡層,P,型硅襯底,D,與,S,之間是兩個,PN,結(jié)反向串聯(lián)，,無論,D,與,S,之間加,什么極性的電壓，,漏極電流均接近,于零。,G,D,+,N,SiO,2,襯底引線,B,圖,5.1.7(a),工作原理圖,(2) 0, U,GS, U,GS(th),由柵極指向襯底方,向的電場排斥,P,區(qū),空穴向下移動,在,P,型硅襯底的上表面,形成耗盡層仍然沒,有漏極電流。,U,DS

12、,。,S,+,+,N,U,GS,I,D,= 0,G,D,+,N,N,+,耗盡層,P,型硅襯底,B,圖,5.1.7(b),工作原理圖,(3),U,GS,U,GS(th),柵極下,P,型半導(dǎo)體中,少子被吸引內(nèi)至其表,面，形成,N,型導(dǎo)電溝,道,反型層,，當(dāng),D,、,S,加上正向電壓后可產(chǎn),生漏極電流,I,D,。,增強型,MOS,管的,i,D,與,u,GS,的,近似關(guān)系為：,U,DS,。,S,+,U,GS,+,N,G,D,I,D,+,N,N,+,u,GS,2,i,D,?,I,DO,(,?,1,),U,GS,(,th,),其中,I,DO,是,u,GS,=2U,GS(th),時的,i,D,N,型導(dǎo)電溝道

13、,耗盡層,P,型硅襯底,B,圖,5.1.7(c),工作原理圖,3.,特性曲線,i,D,/mA,可,變,電,阻,區(qū),4,恒流區(qū),6V,3,2,U,GS,=,5V,4V,3V,2V,擊,穿,區(qū),3,2,1,i,D,/mA,1,0,5,10,15,0,U,G,s(th),2,4,6,u,GS,/,V,夾斷區(qū),輸出特性,轉(zhuǎn)移特性,圖,5.1.8,增強型,NMOS,管的特性曲線,二、,N,溝道耗盡型,MOS,管,1.,結(jié)構(gòu)特點和工作原理,源極,S,柵極,G,漏極,D,D,正離子,N,+,N,+,SiO,2,B,G,S,N,型溝道,耗盡層,P,型硅襯底,襯底引線,B,符號,圖,5.1.9 N,溝道耗盡型,

14、MOS,管結(jié)構(gòu)示意圖及符號,2.,特性曲線,i,D,/mA,4,3,2,1,U,GS,=,1V,0V,3,i,D,/mA,1,2V,3V,?,I,D,2,1,0,4,8,12,?,U,GS,0,3,2,1,1,U,G,s(off),轉(zhuǎn)移特性,2,輸出特性,耗盡型,NMOS,管的特性曲線,三、,P,溝道絕緣柵場效應(yīng)管（,PMOS,）,U,DS,。,S,+,U,GS,+,P,G,D,I,D,N,+,PMOS,管與,NMOS,管,互為對偶關(guān)系，使用,時,U,GS,、,U,DS,的極性,也與,NMOS,管相反。,P,溝道,耗盡層,N,型硅襯底,B,P,+,PMOS,管結(jié)構(gòu)示意圖,1.,P,溝道增強型絕

15、緣柵場效應(yīng)管,開啟電壓,U,GS(,th),為,負值，,U,GS,U,GS(,th),時導(dǎo)通。,i,D,/mA,D,G,B,U,GS(,th),0,符號,S,轉(zhuǎn)移特性,2.,P,溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,夾斷電壓,U,GS,(off),為,正值，,U,GS,U,GS,(off),時導(dǎo)通。,注,:,場效應(yīng)管的符號及,特性如圖所示,D,B,S,0,i,D,/mA,U,GS,(off),G,轉(zhuǎn)移特性,符號,1.4.3,場效應(yīng)管的主要參數(shù),一、直流參數(shù),1.,開啟電壓,U,GS(th),指在一定的,U,DS,下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它,是增強型,MOS,管的參數(shù)，,NMOS,為正，,PMO

16、S,為負。,2.,夾斷電壓,U,GS(off),指在一定的,U,DS,下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。,10,是耗盡型,MOS,管的參數(shù)，,NMOS,管是負值，,PMOS,管是正值。,3.,飽和漏極電流,I,DSS,在,U,GS,=0,時，管子發(fā)生預(yù)夾斷時的漏極電流。,4.,直流輸入電阻,R,GS,（,DC,）,在,U,DS,=0,時，柵源電壓與柵極電流的比值。結(jié)型管大于,10,7,?, MOS,管大于,10,9,?,。,二、交流參數(shù),1.,低頻跨導(dǎo),g,m,g,m,=,?,i,D,/,?,u,GS,?,U,是衡量場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。,由,PN,結(jié)的勢壘

17、電容及分布電容構(gòu)成。,DS,=,常數(shù),2.,極間電容,C,gs,、,C,gd,、,C,ds,三、極限參數(shù),另外，漏源極間的擊穿電壓,U,(BR)DS,、柵源極間的擊穿電壓,U,(BR)GS,以及漏極最大耗散功率,P,DM,、,最大漏極電流,I,DM,是管子的極,限參數(shù)，使用時不可超過。,1.4.4,場效應(yīng)管應(yīng)用舉例,例,1.4.1,已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是,什么類型的場效應(yīng)管。,i,D,/mA,10V,2,8V,1,6V,0,5,10,15,N,溝導(dǎo)增強型,MOS,管。,圖,1.4.14,輸出特性曲線,例,1.4.2,電路及管子的輸出特性如圖所示。使分析,u,I,為,0,

18、、,8V,和,10V,三種情況下,u,O,分別為幾伏。,R,D,5k,+,+V,DD(+15V),+,i,D,/mA,10V,2,8V,6V,0,u,I,-,u,o,-,1,5,10,15,圖,1.4.15,例,1.4.2,電路圖,圖,1.4.14,(,1,),當(dāng),u,GS,?,u,I,?,0,時，管子處于夾斷狀態(tài),，因而,i,D,?,0,?,u,O,?,u,DS,?,V,DD,?,i,D,R,D,?,V,DD,?,15,V,(,2,),當(dāng),u,GS,?,u,I,?,8,V,時，管子工作在恒流區(qū),的,i,D,?,1,mA,?,u,O,?,u,DS,?,V,DD,?,i,D,R,D,?,(,15

19、,?,1,?,5,),V,?,10,V,(,3,),當(dāng),u,GS,?,u,I,?,10,V,時，管子工作在可變電,阻區(qū)，等效電阻為,?,3,?,R,d,?,u,DS,/,i,D,?,?,?,?,3,k,?,?,3,?,?,1,?,10,?,R,ds,?,3,?,?,u,O,?,V,DD,?,?,?,15,?,V,?,5,.,6,V,R,ds,?,R,d,?,5,?,3,?,例,1.4.3,電路如圖所示，場效應(yīng)管的夾斷電壓,U,GS(off),=-4V,，飽和,漏極電流,I,DSS,=4mA,。試問：,為保證負載電阻,R,L,上的電流為恒流，,R,L,的取值范圍應(yīng)為多少？,從電路圖可知，,u,GS,?,0,，因而,i,D,?,I,DSS,并且當(dāng),u,GS,?,0,時的預(yù)夾斷電壓為,u,DS,?,u,GS,?,U,GS,(,off,),?,0,?,(,?,4,),V,?,4,V,所以保證,R,L,上的電流為恒流的最大,輸出電壓,U,o,max,?,V,DD,?,4,V,?,8,V,，輸出電壓范圍為,0,8,V,，,R,L,u,O,負載電阻得取值范圍為,R,L,?,?,0,2,k,?,I,DSS,+V,(+1