場效應管2014

1、1第一章第一章 半導體器件概述半導體器件概述 1.2 半導體三極管半導體三極管 1.3 半導體場效應管半導體場效應管 1.3.1 1.3.1 結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管 1.3.2 1.3.2 絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管 1.4 集成運算放大器集成運算放大器 1.4.1 1.4.1 集成運放的基本特性集成運放的基本特性 1.4.2 1.4.2 理想運放理想運放 21.3 半導體場效應管半導體場效應管FETFET與與BJTBJT的區(qū)別的區(qū)別1. BJT1. BJT是是電流控制元件電流控制元件；FETFET是是電壓控制元件電壓控制元件。2. BJT2. BJT參與導電的是參與導電的是電子電子空穴空

2、穴，因此稱其為雙極型器件；，因此稱其為雙極型器件； FETFET是電壓控制元件，參與導電的只有是電壓控制元件，參與導電的只有一種載流子一種載流子， 因此稱其為單級型器件。因此稱其為單級型器件。3. BJT3. BJT的的輸入電阻較低輸入電阻較低，一般，一般10102 2-10-104 4 ； FETFET的的輸入電阻高輸入電阻高，可達，可達10109 9-10-101414 場效應管的分類場效應管的分類結(jié)型場效應管結(jié)型場效應管JFETJFETMOSMOS型場效應管型場效應管MOSFETMOSFET3 晶體三極管又稱為雙極型三極管，簡記為晶體三極管又稱為雙極型三極管，簡記為BJTBJT（Bipo

3、1ar Junction TransistorBipo1ar Junction Transistor） 場效應管場效應管FETFET（Field Effect TransistorField Effect Transistor） 結(jié)型場效應三極管結(jié)型場效應三極管JFET(Junction type JFET(Junction type FET) FET) 絕緣柵型場效應管也稱金屬絕緣柵型場效應管也稱金屬- -氧化物氧化物- -半導半導體場效應管體場效應管MOSFET MOSFET ，簡稱為，簡稱為MOSMOS管管 (Metal-Oxide-Semiconductor type FET)(Met

4、al-Oxide-Semiconductor type FET) MOS MOS管有管有NMOSNMOS、PMOSPMOS、CMOSCMOS41.3.1 結(jié)型場效應管JFET結(jié)型場效應管的分類結(jié)型場效應管的分類結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應管的工作原理結(jié)型場效應管的工作原理結(jié)型場效應管的特性曲線結(jié)型場效應管的特性曲線5 JFETJFET分類分類可分為可分為N N溝道和溝道和P P溝道兩種，溝道兩種，輸入電阻約為輸入電阻約為10107 7 。6N基底基底 ：N N型半導體型半導體PP兩邊是兩邊是P P區(qū)區(qū)G(G(柵極柵極) )S S源極源極D D漏極漏極u 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)導電溝道導電溝

5、道7NPPG G( (柵極柵極) )S S 源極源極D D 漏極漏極N N溝道結(jié)型場效應管溝道結(jié)型場效應管DGSDGS8PNNG G( (柵極柵極) )S S 源極源極D D 漏極漏極P P 溝道結(jié)型場效應管溝道結(jié)型場效應管DGSDGS9u 工作原理（以工作原理（以P P 溝道為例）溝道為例）UDS=0V時時PGSDUDSUGSNNNNIDPNPN結(jié)反偏，結(jié)反偏，U UGSGS越越大則耗盡區(qū)越寬，大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。導電溝道越窄。10PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時時NNU UGSGS越大耗盡區(qū)越寬，越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。溝道越窄，電阻越大。但當?shù)擴 UGS

6、GS較小時，耗盡較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導區(qū)寬度有限，存在導電溝道。電溝道。DSDS間相當于間相當于線性電阻。線性電阻。11PGSDUDSUGSNNUDS=0時時U UGSGS達到一定值時達到一定值時（夾斷電壓夾斷電壓U UP P）, ,耗耗盡區(qū)碰到一起，盡區(qū)碰到一起，DSDS間間被夾斷，被夾斷，這時，即使這時，即使U UDS DS 0V0V，漏極電流漏極電流I ID D=0A=0A。ID12PGSDUDSUGSU UGSGSUUp p且且U UDSDS 0 0、U UGDGDUUP P時耗盡時耗盡區(qū)的形狀區(qū)的形狀NN越靠近漏端，越靠近漏端，PNPN結(jié)反壓越大結(jié)反壓越大ID13PGSDUD

7、SUGSU UGSGSUUp p且且U UDSDS較大時較大時U UGDGDUUP P時耗時耗盡區(qū)的形狀盡區(qū)的形狀NN溝道中仍是電阻溝道中仍是電阻特性，但是是非特性，但是是非線性電阻。線性電阻。ID14GSDUDSUGSU UGSGSUUp p U UGDGD=U=UP P時時NN漏端的溝道被夾斷，漏端的溝道被夾斷，稱為稱為預夾斷。預夾斷。U UDSDS增大則被夾斷區(qū)增大則被夾斷區(qū)向下延伸。向下延伸。ID15GSDUDSUGSU UGSGSUUUP P時時NN此時，電流此時，電流I ID D由未由未被夾斷區(qū)域中的載被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不流子形成，基本不隨隨U UDSDS的增加而增加，

8、的增加而增加，呈恒流特性。呈恒流特性。ID16 當當U UGSGS=0=0時，時，溝道較寬溝道較寬，在，在U UDSDS的作用下的作用下P P溝道內(nèi)的空溝道內(nèi)的空穴定向運動形成漏極電流穴定向運動形成漏極電流I ID D。 當當U UGSGS00時，時，PNPN結(jié)反偏，結(jié)反偏，PNPN結(jié)加寬，漏源間的結(jié)加寬，漏源間的溝道將溝道將變窄變窄，I ID D將減小將減小， 當當U UGSGS繼續(xù)向正方向增加，溝道繼續(xù)變窄，繼續(xù)向正方向增加，溝道繼續(xù)變窄，I ID D繼續(xù)減繼續(xù)減小直至為小直至為0 0。 當當漏極電流為零漏極電流為零時所對應的時所對應的柵源電壓柵源電壓U UGSGS稱為稱為夾斷電夾斷電壓壓

9、U UP P。 JFETJFET工作原理工作原理17u 特性曲線特性曲線UGS0IDIDSSUP飽和漏極電流飽和漏極電流夾斷電壓夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線一定一定U UDSDS下的下的I ID D-U-UGSGS曲線曲線18預夾斷曲線預夾斷曲線IDU DS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)夾斷區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線輸出特性曲線019N N溝道結(jié)型場效應管的特性曲線溝道結(jié)型場效應管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS0IDIDSSUP20輸出特性曲線輸出特性曲線IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN N溝道結(jié)型場效應管的特性曲線溝道結(jié)型場效應管

10、的特性曲線21 N N溝道溝道JFETJFET特性曲線特性曲線UP轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線22 結(jié)型場效應管的缺點：結(jié)型場效應管的缺點：1. 1. 柵源極間的電阻雖然可達柵源極間的電阻雖然可達10107 7以上，但在以上，但在某些場合仍嫌不夠高。某些場合仍嫌不夠高。3. 3. 柵源極間的柵源極間的PNPN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。2. 2. 在高溫下，在高溫下，PNPN結(jié)的反向電流增大，柵源結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。極間的電阻會

11、顯著下降。231.3.2 MOSFET1.3.2 MOSFET增強型增強型MOSFETMOSFET耗盡型耗盡型MOSFETMOSFET24 N N溝道溝道增強型增強型MOSMOS場效應管結(jié)構(gòu)場效應管結(jié)構(gòu)增強型增強型MOSMOS場效應管場效應管漏極漏極DD集電極集電極C源極源極SS發(fā)射極發(fā)射極E柵極柵極GG基極基極B B襯底襯底B電極電極金屬金屬絕緣層絕緣層氧化物氧化物基體基體半導體半導體因此稱之為因此稱之為MOSMOS管管25 當當U UGSGS較小較小時，雖然在時，雖然在P P型襯底型襯底表面形成一層表面形成一層耗盡層耗盡層，但負離，但負離子不能導電。子不能導電。 當當U UGSGS=U=U

12、T T（開啟電壓）時（開啟電壓）時, , 在在P P型襯底表面形成一層型襯底表面形成一層電子電子層層，形成，形成N N型導電溝道，在型導電溝道，在U UDSDS的作用下形成的作用下形成I ID D。UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型層反型層 當當U UGSGS=0V=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的時，漏源之間相當兩個背靠背的PNPN結(jié)，無論結(jié)，無論U UDSDS之間加上電壓不會在之間加上電壓不會在D D、S S間形成電流間形成電流I ID D, ,即即I ID D0.0. 當當U UGSGSUUT T時時, , 溝道加厚，溝道電阻減少，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同在相同U U

13、DSDS的作的作用下，用下，I ID D將進一步增加將進一步增加開始無導電溝道，開始無導電溝道，當在當在U UGSGS U UT T時才形時才形成溝道成溝道, ,這種類型的管這種類型的管子稱為子稱為增強型增強型MOSMOS管管26 N N溝道溝道增強型增強型MOSMOS場效應管特性曲線場效應管特性曲線U UDSDS一定時，一定時，U UGSGS對漏極電流對漏極電流I ID D的控制關(guān)系曲線的控制關(guān)系曲線 I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C =C 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，在恒流區(qū)，I ID D與與U UG

14、SGS的關(guān)系為的關(guān)系為其中，其中，I IDODO定義為定義為U UGSGS= 2U= 2UGS(th)GS(th)時的漏極電流時的漏極電流2TGSDOD) 1UU(IIIDO27 N N溝道溝道增強型增強型MOSMOS場效應管特性曲線場效應管特性曲線U UGSGS一定時，一定時， I ID D與與U UDSDS的變化曲線，是一族曲線的變化曲線，是一族曲線 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 輸出特性曲線輸出特性曲線1.1.可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)： I ID D與與U UDSDS的關(guān)系近的關(guān)系近似似線性線性關(guān)系關(guān)系 當當U UGSGS變化時，變化時，R R

15、ONON=U=UDSDS/I/ID D將隨之變化，因此稱之為將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)當當U UGSGS一定時，一定時，R RONON近似為一常數(shù)，因此又稱之為近似為一常數(shù)，因此又稱之為恒恒阻區(qū)阻區(qū)282. 2. 恒流區(qū)恒流區(qū)： 該區(qū)內(nèi)，該區(qū)內(nèi)，U UGSGS一定，一定，I ID D基本不隨基本不隨U UDSDS變化而變變化而變3.3.擊穿區(qū)擊穿區(qū)： U UDSDS 增加到某一增加到某一值時，值時，I ID D開始劇增而開始劇增而出現(xiàn)擊穿。出現(xiàn)擊穿。 當當U UDSDS 增加到某增加到某一臨界值時，一臨界值時，I ID D開始開始劇增時劇增時U UDSDS稱為漏源擊稱為漏源擊穿

16、電壓。穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=2VID(mA)預夾斷預夾斷29 漏源電壓漏源電壓U UDSDS對漏極電流對漏極電流I ID D的控制作用的控制作用UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 當當U UDSDS為為0 0或較小時，或較小時，相當相當 U UGDGDU UT T，此時此時U UDSDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在分布。在U UDSDS作用下形成作用下形成I ID D30 當當U UDSDS增加到使增加到使U UGDGD= =U UT T時時， 當當U UDSDS增加到增加到U

17、 UGDGD U UT T時，時， 這相當于這相當于U UDSDS增加使漏極處溝道縮增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷預夾斷。此時的此時的漏極電流漏極電流I ID D 基本飽和基本飽和 此時預夾斷區(qū)域加長，伸向此時預夾斷區(qū)域加長，伸向S S極。極。 U UDSDS增加的部分基本降落在隨之加長增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，的夾斷溝道上，I ID D基本趨于不變。基本趨于不變。3132 N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管結(jié)構(gòu)場效應管結(jié)構(gòu)耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管+ + + + + + + 耗盡型耗盡型MOSMOS管存在管存

18、在原始導電溝道原始導電溝道33 N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管工作原理場效應管工作原理當當U UGSGS=0=0時，時，U UDSDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流I ID D, ,此時的漏極電流稱為此時的漏極電流稱為漏極飽和電流漏極飽和電流，用，用I IDSSDSS表示表示當當U UGSGS0 0時，將使時，將使I ID D進一步增加進一步增加。當當U UGSGS0 0時，隨著時，隨著U UGSGS的減小漏極電流逐漸的減小漏極電流逐漸減小減小。直至。直至I ID D=0=0。對應。對應I ID D=0=0的的U UGSGS稱為夾斷電壓，用符號稱為夾斷電壓，用

19、符號U UP P表示。表示。UGS(V)ID(mA)N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管特性曲線特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UPID IDSS(1- UGS /UP)2常用關(guān)系式：常用關(guān)系式：34 N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管特性曲線場效應管特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線N N溝道溝道耗盡型耗盡型MOSMOS管可工作在管可工作在U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N溝道溝道增強型增強型MOSMOS管只能工作在管只能工作在U UGSGS00UGS=6VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUDS(V)ID(mA) 35各類絕緣柵場效應三極

20、管的特性曲線各類絕緣柵場效應三極管的特性曲線絕絕緣緣柵柵場場效效應應管管N N溝溝道道增增強強型型P P溝溝道道增增強強型型U UT T36絕絕緣緣柵柵場場效效應應管管 N N溝溝道道耗耗盡盡型型P P 溝溝道道耗耗盡盡型型UP371.3.3 1.3.3 場效應管的主要參數(shù)及電路模型場效應管的主要參數(shù)及電路模型直流參數(shù)直流參數(shù)交流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)極限參數(shù)1. 1. 主要參數(shù)主要參數(shù)382. 2. 夾斷電壓夾斷電壓U UP P(U(UGS(off)GS(off) ) 夾斷電壓是耗盡型夾斷電壓是耗盡型FETFET的參數(shù)，當?shù)膮?shù)，當U UGSGS= =U UP P 時時, ,漏極電流為零。漏極

21、電流為零。1. 1. 開啟電壓開啟電壓U UT T (U(UGS(th)GS(th) ) 開啟電壓是開啟電壓是MOSMOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值開啟電壓的絕對值, ,場效應管不能導通。場效應管不能導通。直流參數(shù)直流參數(shù)393. 3. 飽和漏極電流飽和漏極電流I IDSSDSS 耗盡型場效應三極管當耗盡型場效應三極管當U UGSGS=0=0時所對應的漏極電流。時所對應的漏極電流。直流參數(shù)直流參數(shù)4. 4. 直流輸入電阻直流輸入電阻R RGSGS柵源間所加的恒定電壓柵源間所加的恒定電壓U UGSGS與流過柵極電流與流過柵極電流I IGSGS之比。之比。結(jié)型場效應三極管，反偏時結(jié)型場效應三極管，反偏時R RGSGS約大于約大于10107 7，絕緣柵場效應三極管絕緣柵場效應三極管R RGSGS約是約是10109 910101515。401. 1. 最大漏極電流最大漏極電流I IDMDM管子正常工作時允許的最大漏極電流管子正常工作時允許的最大漏極電流3. 3. 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓U U(BR)DS(BR)DS使使I ID D開始劇增產(chǎn)生擊穿時的開始劇增產(chǎn)生擊穿時的U UDSDS。4.4.柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U U(BR)GS(BR)GSJFETJFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓：反向飽和