場效應(yīng)管介紹

1、場效應(yīng)管原理場效應(yīng)管是只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。 1.11.1.1MOS場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有增強型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或D

2、MOS）兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類型。場效應(yīng)管有三個電極：D(Drain) 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；G(Gate) 稱為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極；S(Source) 稱為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。增強型MOS(EMOS)場效應(yīng)管一、工作原理1溝道形成原理當(dāng)VGS=0 V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。當(dāng)柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍

3、然不足以形成漏極電流ID。進一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時（ VGS(th) 稱為開啟電壓），由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝1線性電子電路教案道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層（inversion layer）。隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用

4、。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下： constDS=VGSDVIgm (單位mS)2 VDS對溝道導(dǎo)電能力的控制當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖3-2所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系VDS=VDGVGS= VGDVGSVGD=VGSVDS當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGDVGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS(th)時，相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，此時的漏極電流ID基本飽

5、和。當(dāng)VDS增加到VGD<VGS(th)時，預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。（a） （b） （c）圖3-2 漏源電壓VDS對溝道的影響當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)VGS=const這一關(guān)系曲線如二、伏安特性輸出特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線1 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（Nonsaturation Region）是溝道未被預(yù)夾斷的工作區(qū)，又稱可變電阻區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS<VGS-VGS(th)限定。理論證明，ID與VGS和VDS的關(guān)系如2飽和區(qū)飽和區(qū)(Sa

6、turation Region)又稱放大區(qū)，它是溝道預(yù)夾斷后所對應(yīng)的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達式： 2)th(GSGSoxnD)VV(l2WCI=在這個工作區(qū)內(nèi)，ID受VGS控制。3截止區(qū)和亞閾區(qū)VGS<VGS(th)，溝道未形成，ID=0。在VGS(th)附近很小的區(qū)域叫亞閾區(qū)（Subthreshold Region）在這個區(qū)域內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。I4擊穿區(qū)當(dāng)VDS 增大到足以使漏區(qū)與襯底間PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時，ID迅速增加，管子進入擊穿區(qū)。四、P溝道EMOS場效應(yīng)管在N型襯底中擴散兩個P+區(qū)，分

7、別做為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構(gòu)成了P溝道EMOS管。 3線性電子電路教案1.1.2耗盡型MOS（DMOS）場效應(yīng)管N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖3-5所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS0時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線見圖所示。(a) 結(jié)構(gòu)示

8、意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線圖3-5 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。線性電子電路教案1.21.2.1結(jié)型場效應(yīng)管工作原理結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場效應(yīng)三極管相似，工作機理也相同。結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。當(dāng)PN結(jié) 反向偏置時，阻擋層寬度增大，主要向低摻雜N區(qū)擴展。當(dāng)VDS=0時，VGS越負，響

9、應(yīng)的阻擋層越寬，溝道就窄，溝道的導(dǎo)電能力就越差，直到VGS=VGS(off)時，兩側(cè)阻擋層相遇，溝道消失。由于ID通過長條溝道產(chǎn)生漏極到源極方向的電壓降，因此在溝道的不同位置上，加在PN結(jié)上的反向偏置電壓就不同，在源極端，PN結(jié)上的反偏電壓最小。在漏極端，PN結(jié)上的反偏電壓最高，響應(yīng)的阻擋層最寬，溝道也最窄。當(dāng)VGS=VGS（off）時，近漏極端的溝道被夾斷。 1.2.2伏安特性曲線根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N8線性電子電路教案溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵流。結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線有兩條，一

10、是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場效應(yīng)三極管的特性曲線基本相同，只不過絕緣柵場效應(yīng)管的柵壓可正、可負，而結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線如下圖所示。(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線1 非飽和區(qū)VGS>VGS(off)、VDS<VGS-VGS(off) )VV(VV)VV1(2II2)off(GSDS)off(GSDS)off(GSGSDSSD=2 飽和區(qū)VGS>VGS(off)、VDS>VGS-VGS(off) 限定 2)off(GSGSDSSD)VV1(II=3 截止區(qū)VGS<VG

11、S(off) 溝道被夾斷，ID=0。4 擊穿區(qū)當(dāng)VDS增大到一定值V(BR)DS時，漏極端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿而使ID急劇增加區(qū)域。 §3.1    場效應(yīng)管的類型（第一頁）   這一節(jié)我們要了解場效應(yīng)管的分類，各種場效應(yīng)管的工作特點及根據(jù)特性曲線能判斷管子的類型。  場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管） 一：結(jié)型場效應(yīng)管 1.結(jié)型場效應(yīng)管的分類 結(jié)型場效應(yīng)管有兩種結(jié)構(gòu)形式。它們是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管（符號圖為（1）和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管（符號圖為（2）  從圖中

12、我們可以看到，結(jié)型場效應(yīng)管也具有三個電極，它們是：G柵極；D漏極；S源極。電路符號中柵極的箭頭方向可理解為兩個PN結(jié)的正向?qū)щ姺较颉?.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理(以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例) 在D、S間加上電壓UDS，則源極和漏極之間形成電流ID，我們通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，就可以改變兩個PN結(jié)阻擋層的（耗盡層）的寬度，這樣就改變了溝道電阻，因此就改變了漏極電流ID。3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線(以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)輸出特性曲線：（如圖（3）所示）根據(jù)工作特性我們把它分為四個區(qū)域，即：可變電阻區(qū)、放大區(qū)、擊穿區(qū)、截止區(qū)。  對此不作很深的要求，只要求我們看到輸出

13、特性曲線能判斷是什麼類型的管子即可轉(zhuǎn)移特性曲線：                 我們根據(jù)這個特性關(guān)系可得出它的特性曲線如圖（4）所示。它描述了柵、源之間電壓對漏極電流的控制作用。從圖中我們可以看出當(dāng)UGS=UP時ID=0。我們稱UP為夾斷電壓。   注：轉(zhuǎn)移特性和輸出特性同是反映場效應(yīng)管工作時，UGS、UDS、ID之間的關(guān)系，它們之間是可以互相轉(zhuǎn)換的。§3.1    場效應(yīng)管的類型（第二頁） 二

14、：絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管)1.絕緣柵場效應(yīng)管的分類   絕緣柵場效應(yīng)管也有兩種結(jié)構(gòu)形式，它們是N溝道型和P溝道型。無論是什麼溝道，它們又分為增強型和耗盡型兩種。2.絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應(yīng)管)  我們首先來看N溝道增強型MOS場效應(yīng)管的符號圖：如圖(1)所示  它是利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。3.絕緣柵型場效應(yīng)管的特性曲線(以N溝道增強型MOS場效應(yīng)管)它的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖（2）所示；它的輸出特性曲線如圖(3)所示，它也分為4個區(qū)：可變電阻區(qū)

15、、放大區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。注：對此我們也是只要求看到輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移曲線能判斷出是什麼類型的管子，即可。§3.2  場效應(yīng)管的主要參數(shù)和特點一：場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)直流參數(shù)   飽和漏極電流IDSS   它可定義為：當(dāng)柵、源極之間的電壓等于零，而漏、源極之間的電壓大于夾斷電壓時，對應(yīng)的漏極電流。   夾斷電壓UP   它可定義為：當(dāng)UDS一定時，使ID減小到一個微小的電流時所需的UGS   開啟電壓UT   它可定義為：當(dāng)UDS一定時，使ID到達某一

16、個數(shù)值時所需的UGS(2)交流參數(shù)   低頻跨導(dǎo)gm   它是描述柵、源電壓對漏極電流的控制作用。   極間電容    場效應(yīng)管三個電極之間的電容，它的值越小表示管子的性能越好。(3)極限參數(shù)   漏、源擊穿電壓    當(dāng)漏極電流急劇上升時，產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。   柵極擊穿電壓     結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時，柵、源極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，若電流過高，則產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。二：場效應(yīng)管的特點場效應(yīng)管具有放大作用，可以組成放大電路，它與雙極性三極管相比具有以下特點：（1）場效應(yīng)管是電壓控制器件，它通過UGS來控制ID；（