第五章場效應(yīng)管

1、1. NPN 型三極管型三極管集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極c基極基極b發(fā)射極發(fā)射極e 一、三極管的結(jié)構(gòu)、一、三極管的結(jié)構(gòu)、 分類和符號分類和符號Pecb 三個區(qū)、兩個結(jié)、三個極三個區(qū)、兩個結(jié)、三個極特點(diǎn)：基區(qū)薄，摻雜濃度低特點(diǎn)：基區(qū)薄，摻雜濃度低 發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高發(fā)射區(qū)，摻雜濃度高 集電區(qū)，結(jié)面積大集電區(qū)，結(jié)面積大可按頻率、功率、材料、結(jié)構(gòu)分類?？砂搭l率、功率、材料、結(jié)構(gòu)分類。若按結(jié)構(gòu)分類，可分為若按結(jié)構(gòu)分類，可分為2種：種：ECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路共發(fā)射極接法放大電路三極管具有電流控三極管具有電流控制作用的外部條件制作

2、用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。）集電結(jié)反向偏置。對于對于NPN型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UBE 0UBC VB VE對于對于PNP型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: UEB 0UCB 0即即 VC VB VE輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路公公共共端端EBRBIB發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子注入電子IEIB電子在基區(qū)電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子集電區(qū)收集電子 電子流向電源正極形成電子流向電源正極形成 ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成區(qū)補(bǔ)充電子形成 發(fā)射極電流發(fā)射極電流IE三極管的電流控制原理三極管的

3、電流控制原理VBB正極拉走電正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形合的空穴，形成成 I IB BVCCRCVBBRBIEPIBNICBOICNIENiC / mAuCE /V0放放大大區(qū)區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū) IB= 0 A20A40 A截止區(qū)截止區(qū)60 A80 A飽和區(qū)飽和區(qū)（2）截止區(qū)：）截止區(qū)：IB0的區(qū)域，兩結(jié)反的區(qū)域，兩結(jié)反 偏。嚴(yán)格說，偏。嚴(yán)格說，IE=0,即即ICICBO 的區(qū)域，管子基本不導(dǎo)電。的區(qū)域，管子基本不導(dǎo)電。（1）放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電極）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。反偏。特性曲線的平坦部分。 滿

4、足滿足 有電流控制作用。有電流控制作用。CEOBCIII（3）飽和區(qū)：兩結(jié)正偏，靠近縱軸）飽和區(qū)：兩結(jié)正偏，靠近縱軸 的區(qū)域。的區(qū)域。IB增加，增加，IC不再增加，不再增加， 不受不受IB的控制，的控制，IC只隨只隨UCE增加增加 而增加。而增加。UCE=UBE稱為臨界飽和，在深度飽和時，飽和壓降稱為臨界飽和，在深度飽和時，飽和壓降UCES很小。很小。臨界飽和的估算臨界飽和的估算：三個工作區(qū)的分析：三個工作區(qū)的分析例例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，各晶體管所示，各晶體管b-e見開啟電壓見開啟電壓Uon均為均為0

5、.5V。 試分別說明各管子的工作狀態(tài)。試分別說明各管子的工作狀態(tài)。晶體管晶體管基極直流電位基極直流電位UB/V發(fā)射極直流電位發(fā)射極直流電位UE/V集電極直流電位集電極直流電位UC/V工作狀態(tài)工作狀態(tài)T1T2T3T40.70.31-10050.7-1.70015對對NPN管，管， 當(dāng)當(dāng)UBEUon時，管子截止；時，管子截止； 當(dāng)當(dāng)UBE Uon且且UCE UBE (或或UC UB)，管子放大；，管子放大； 當(dāng)當(dāng)UBE Uon且且UCE UBE (或或UC UB)，管子飽和。，管子飽和。放大放大放大放大飽和飽和截止截止 5.1 場效應(yīng)管增強(qiáng)型增強(qiáng)型E型型耗盡型耗盡型D型型N溝道溝道P溝道溝道N溝道

6、溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）場效應(yīng)管場效應(yīng)管(FET)結(jié)結(jié) 型型(JFET)絕緣柵型絕緣柵型(MOSFET)特點(diǎn)：特點(diǎn)：分類：分類：體積小，重量輕，耗電省，壽命長；輸入阻抗高，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(qiáng)，制造工藝噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡單。尤其簡單。尤其MOS管在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電管在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要地位。路中占有重要地位。一、工作原理和結(jié)構(gòu)一、工作原理和結(jié)構(gòu)P+P+漏極漏極DID柵極柵極G源極源極SGSD1、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)： 在在N型硅棒兩端加上型硅棒兩端加上一定極性的電壓，多

7、子在一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流電場力的作用下形成電流ID。在。在N型硅棒兩側(cè)做成型硅棒兩側(cè)做成兩個高濃度的兩個高濃度的P+區(qū)，并將區(qū)，并將其連在一起，如圖。若將其連在一起，如圖。若將G、S間加上不同的反偏電間加上不同的反偏電壓，即可改變導(dǎo)電溝道的壓，即可改變導(dǎo)電溝道的寬度，便實(shí)現(xiàn)了利用電壓寬度，便實(shí)現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝所產(chǎn)生的電場控制導(dǎo)電溝道中電流強(qiáng)弱的目的。道中電流強(qiáng)弱的目的。N圖圖5.1.1 N溝道溝道2、工作原理、工作原理（1）D、S間短路，間短路，G、S間加反向電壓間加反向電壓P+P+DGSNUGS UGS 增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電增大，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝

8、道變窄，電阻加大，當(dāng)溝道變窄，電阻加大，當(dāng)UGS加加大到一定值時，兩側(cè)的耗盡區(qū)幾乎碰大到一定值時，兩側(cè)的耗盡區(qū)幾乎碰上，導(dǎo)電溝道仿佛被夾斷，上，導(dǎo)電溝道仿佛被夾斷，D、S間電間電阻趨于無窮大。阻趨于無窮大。 此時，此時， UGS =UGS(off)夾斷電壓夾斷電壓 當(dāng)當(dāng) UGS UGS(off) 后，耗后，耗盡區(qū)無明顯變化，太大會出現(xiàn)擊穿。盡區(qū)無明顯變化，太大會出現(xiàn)擊穿。由于由于PN結(jié)反偏，柵極電流基本為結(jié)反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。一般不用正偏。，消耗很小。一般不用正偏。圖圖5.1.2（2） G 、S間短路，間短路， D 、S間加正向電壓間加正向電壓P+P+DGSUDSR 隨隨UDS

9、，ID 。由于電壓降，靠近。由于電壓降，靠近D極極U GD反壓越高，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越反壓越高，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，呈現(xiàn)楔型。窄，呈現(xiàn)楔型。 當(dāng)當(dāng)UDS = UGS(off) ,即即UGD =UGS(off) 時，在漏極兩側(cè)的耗盡區(qū)開始合攏，稱時，在漏極兩側(cè)的耗盡區(qū)開始合攏，稱為為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。 UDS，預(yù)夾斷預(yù)夾斷區(qū)變長，區(qū)變長， UDS的增加部分的增加部分落在落在預(yù)夾斷預(yù)夾斷區(qū)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的區(qū)，導(dǎo)電溝道內(nèi)的ID基本不變?；静蛔?。（3） G 、S間加負(fù)電壓，間加負(fù)電壓， D 、S間加正向電壓間加正向電壓P+P+UDSRUGS G、S的負(fù)電壓使耗盡區(qū)變寬，導(dǎo)電溝的負(fù)電壓使耗盡區(qū)變寬

10、，導(dǎo)電溝道變窄；道變窄；D、S間的正電壓使耗盡區(qū)和導(dǎo)間的正電壓使耗盡區(qū)和導(dǎo)電溝道不等寬。電溝道不等寬。 當(dāng)當(dāng)UGD=UGS-UDS=UGS(off)，即，即UDS= UGS-UGS(off)時時，發(fā)生預(yù)夾斷，此后，發(fā)生預(yù)夾斷，此后UDS ， ID基本不變?；静蛔儭D圖5.1.3二、特性曲線及電流方程二、特性曲線及電流方程1、漏極特性曲線（輸出特性曲線）、漏極特性曲線（輸出特性曲線）4321048122V3V圖圖5.1.5 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性123UGS = 0V1012123 uGS / V ID UGSUGs(off) uDS / VUDS =10ViD /mAiD /mA恒恒 流流 區(qū)區(qū)可

11、變可變電阻區(qū)電阻區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū) UGS = 常數(shù)常數(shù)iD = f (uDS ) 預(yù)夾斷預(yù)夾斷軌跡軌跡GSDmuig低頻跨導(dǎo)：低頻跨導(dǎo)：圖圖5.1.4 場效應(yīng)管的輸出特性場效應(yīng)管的輸出特性(1) 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)iD幾乎與幾乎與uDS成線性關(guān)系增加，呈電阻特性。其等效電阻成線性關(guān)系增加，呈電阻特性。其等效電阻可看作一個受柵源電壓可看作一個受柵源電壓uGS控制的可變電阻。控制的可變電阻。(2) 恒流區(qū)（飽和區(qū)）恒流區(qū)（飽和區(qū)）iD的大小受的大小受uGS控制。飽和區(qū)與可變電阻區(qū)的分界線為控制。飽和區(qū)與可變電阻區(qū)的分界線為uDS= uGS-UGS(off)。(3) 夾斷區(qū)夾斷區(qū)uGSUGS(off

12、)，溝道被夾斷，溝道被夾斷，iD02、轉(zhuǎn)移特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線 UDS = 常數(shù)常數(shù)iD = f (uGS ) 2)()1 (offGSGSDSSDUuIi)0()(GSoffGSuUSiO2N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖及符號管結(jié)構(gòu)示意圖及符號P型硅襯底型硅襯底源極源極S柵極柵極G漏極漏極D 襯底引線襯底引線BN+N+DBSG符號符號1. 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號一、一、N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管四種類型：四種類型： N溝道增強(qiáng)型；溝道增強(qiáng)型；N溝道耗盡型；溝道耗盡型； P溝道增強(qiáng)型；溝道增強(qiáng)型； P溝道耗盡型。溝道耗盡型。圖圖5.1.6SiO2圖圖5.1.7(a) 工作原理圖

13、工作原理圖P型硅襯底型硅襯底耗盡層耗盡層襯底引線襯底引線BN+N+SGDUDSID = 0D與與S之間是兩個之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，結(jié)反向串聯(lián)，無論無論D與與S之間加之間加什么極性的電壓，什么極性的電壓，漏極電流均接近漏極電流均接近于零。于零。2. 工作原理工作原理P型硅襯底型硅襯底N+BSGD。耗盡層耗盡層ID = 0由柵極指向襯底方由柵極指向襯底方向的電場排斥向的電場排斥 P 區(qū)區(qū)空穴向下移動空穴向下移動,在在P 型硅襯底的上表面型硅襯底的上表面形成耗盡層仍然沒形成耗盡層仍然沒有漏極電流。有漏極電流。 UGSN+N+UDS圖圖5.1.7(b) 工作原理圖工作原理圖P型硅襯底型硅襯底N+B

14、SGD。UDS耗盡層耗盡層ID柵極下柵極下P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中少子被吸引內(nèi)至其表少子被吸引內(nèi)至其表面，形成面，形成N型導(dǎo)電溝型導(dǎo)電溝道道反型層反型層，當(dāng)，當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流生漏極電流ID 。 N+N+UGS增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管的管的iD與與uGS的的近似關(guān)系為：近似關(guān)系為：2)() 1(thGSGSDODUuIi其中其中IDO是是uGS=2UGS(th)時的時的iD圖圖5.1.7(c) 工作原理圖工作原理圖N型導(dǎo)電溝道4321051015UGS =5V6V4V3V2ViD /mAUDS =10V圖圖5.1.8 5.1.8 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲

15、線管的特性曲線 0123恒流區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)246uGS / V3. 特性曲線特性曲線UGs(th)輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 uDS / ViD /mA夾斷區(qū)夾斷區(qū)二、二、N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管P型硅襯底型硅襯底源極源極S漏極漏極D 柵極柵極G襯底引線襯底引線B耗盡層耗盡層1. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理N+N+正離子正離子N N型溝道型溝道SiO2DBSG符號符號圖圖5.1.9 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管結(jié)構(gòu)示意圖及符號結(jié)構(gòu)示意圖及符號432104812UGS =1V2V3V輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性耗盡型耗盡型NM

16、OS管的特性曲線管的特性曲線 1230V1012123 uGS / V2. 特性曲線特性曲線 ID UGSUGs(off) uDS / VUDS =10ViD /mAiD /mAN型硅襯底型硅襯底N+BSGD。耗盡層耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道溝道三、三、P溝道絕緣柵場效應(yīng)管（溝道絕緣柵場效應(yīng)管（PMOS）PMOS管與管與NMOS管管互為對偶關(guān)系，使用互為對偶關(guān)系，使用時時UGS 、UDS的極性的極性也與也與NMOS管相反。管相反。 P+P+UGSUDSID1. 1. P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管開啟電壓開啟電壓UGS(th)為為負(fù)值，負(fù)值，UGS UGS

17、(th) 時導(dǎo)通。時導(dǎo)通。 SGDB符號符號 iD /mAuGS / V0UGS(th) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2. 2. P溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管DBSG符號符號 iD /mAuGS /V0UGS(off) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓夾斷電壓UGS(off)為為正值，正值， UGS UGS(off)時導(dǎo)通。時導(dǎo)通。 注注: 場效應(yīng)管的符號及場效應(yīng)管的符號及 特性如圖所示特性如圖所示在在UDS =0時，柵源電壓與柵極電流的比值。結(jié)型管大于時，柵源電壓與柵極電流的比值。結(jié)型管大于107 , MOS管管大于大于109 。1. 開啟電壓開啟電壓UGS(th) 指在一定的指在一定的U

18、DS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它是增強(qiáng)型是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，管的參數(shù)，NMOS為正，為正，PMOS為負(fù)。為負(fù)。2. 夾斷電壓夾斷電壓 UGS(off) 指在一定的指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。是耗盡型是耗盡型MOS管的參數(shù)，管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，管是負(fù)值，PMOS管是正值。管是正值。4. 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS（DC）一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)3. 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS在在UGS =0時，管子發(fā)生預(yù)夾斷時的漏極電流。時，管子發(fā)生預(yù)夾斷時的漏極電流。

19、10 另外，漏源極間的擊穿電壓另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊穿電壓、柵源極間的擊穿電壓U(BR)GS以及漏極最大耗散功率以及漏極最大耗散功率PDM、最大漏極電流最大漏極電流IDM是管子的極是管子的極限參數(shù)，使用時不可超過。限參數(shù)，使用時不可超過。gm= iD / uGS UDS =常數(shù)常數(shù)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)。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)。 1. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm 二、交流參數(shù)二、交流參數(shù)2. 極間電容極間電容Cgs、Cgd、Cds由由PN結(jié)的勢壘電容及分布電容構(gòu)成。結(jié)的勢壘電容及分布電容構(gòu)成。 三、極限參

20、數(shù)三、極限參數(shù) 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。什么類型的場效應(yīng)管。2105101510V8V6V uDS / ViD /mAN溝導(dǎo)增強(qiáng)型溝導(dǎo)增強(qiáng)型MOS管。管。圖圖1.4.14 輸出特性曲線輸出特性曲線 例例1.4.2 電路及管子的輸出特性如圖所示。使分析電路及管子的輸出特性如圖所示。使分析uI為為0、8V和和10V三種情況下三種情況下uO分別為幾伏。分別為幾伏。2105101510V8V6V uDS / ViD /mA+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- -圖圖1.4.15 例例1.

21、4.2電路圖電路圖圖圖1.4.14VVVRRRukiuRVuuDDddsdsODDSdIGS6 . 51535331013/10)3(3阻區(qū)，等效電阻為時，管子工作在可變電當(dāng)VVRiVuuiuuDDDDDDDSODIGS15, 00) 1 (，因而時，管子處于夾斷狀態(tài)當(dāng)VVRiVuumAiVuuDDDDDSODIGS10)5115(,18)2(的時，管子工作在恒流區(qū)當(dāng)例例1.4.3 電路如圖所示，場效應(yīng)管的夾斷電壓電路如圖所示，場效應(yīng)管的夾斷電壓UGS(off)=-4V，飽和，飽和漏極電流漏極電流IDSS=4mA。試問：。試問： 為保證負(fù)載電阻為保證負(fù)載電阻RL上的電流為恒流，上的電流為恒流，

22、RL的取值范圍應(yīng)為多少？的取值范圍應(yīng)為多少？+VDD(+12V)RLuokIuRVVVVURVVUuuumAIiuDSSOLDDoLoffGSGSDSGSDSSDGS2080844)4(004 0max)(負(fù)載電阻得取值范圍為，輸出電壓范圍為輸出電壓上的電流為恒流的最大所以保證時的預(yù)夾斷電壓為并且當(dāng)。，因而從電路圖可知， 圖圖1.4.16 例例1.4.3電路圖電路圖 場效應(yīng)管的柵極場效應(yīng)管的柵極g g、源極、源極s s、漏極、漏極d d對應(yīng)于晶體管的基極對應(yīng)于晶體管的基極b b、發(fā)射極發(fā)射極e e、集電極、集電極c c，能實(shí)現(xiàn)對信號的控制；，能實(shí)現(xiàn)對信號的控制；不同之處：不同之處：1 1、MOSFETMOSFET是電壓控制元件，輸入阻抗很高；是電壓控制元件，輸入阻抗很高；BJTBJT