模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管市公開課一等獎省賽課獲獎課件

/10/101.4.1結型場效應管結構和工作原理1.4.2絕緣柵場效應管結構和工作原理第1章慣用半導體器件1.4場效應管模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第1頁/10/10作業(yè)1-141-151-16模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第2頁/10/10場效應管出現(xiàn)歷史背景場效應管用途場效應管學習方法場效應管分類第一節(jié)場效應管概述模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第3頁/10/10場效應管出現(xiàn)歷史背景1947年貝爾試驗室科學家創(chuàng)造雙極型三極管代替了真空管，處理了當初電話信號傳輸中放大問題。不過這種放大電路輸入電阻還不夠大，性能還不夠好。所以，貝爾試驗室科學家繼續(xù)研究新型三極管，在1960年創(chuàng)造了場效應管。場效應管輸入電阻比雙極型三極管要大得多,場效應管工作原理與雙極型三極管不一樣。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第4頁/10/10場效應管用途場效應管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是看成電壓控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關元件。三是看成壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是看成電流控制器件用來組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開關元件。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第5頁/10/10場效應管學習方法學習中不要把場效應管與雙極型三極管割裂開來，應注意比較它們相同點和不一樣點。場效應管柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管基極、集電極、發(fā)射極對應。場效應管與雙極型三極管工作原理不一樣,但作用基本相同。場效應管還能夠看成非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第6頁/10/10N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道場效應管FET結型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應管分類模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第7頁一、結型場效應管結構二、結型場效應管工作原理三、結型場效應管特征曲線及參數(shù)第二節(jié)結型場效應管(JFET)結構和工作原理模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第8頁一、結型場效應管（JFET)結構P+P+NGSD導電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第9頁/10/10二、結型場效應管（JFET)工作原理參考方向做以下約定:模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第10頁/10/10（1）電壓源UGS和電壓源UDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源UGS起作用，電壓源UDS電壓值為0；（3）只有電壓源UDS起作用，電壓源UGS電壓值為0；（4）電壓源UGS和電壓源UDS同時起作用。在給出各種情況下結型場效應管工作狀態(tài)時，同時畫出對應輸出特征曲線。尤其注意:電壓參考方向和電流參考方向約定方法。參考方向能夠任意約定,不一樣約定方法得到不一樣式特征曲線.書上特征曲線是按前面方法來約定參考方向。按照以下思緒來講解：模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第11頁/10/10（1）UDS=0伏、UGS=0伏時JFET工作狀態(tài)導電溝道從漏極到源極平行等寬。最寬這時導電溝道電阻記為R1。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第12頁/10/10（2）在UDS=0伏前提下：│

UGS│從0伏逐步增加過程中，JFET工作狀態(tài)（2.1）UDS=0伏：│UGS│逐步增加UGS=-1伏

此時導電溝道從漏極到源極平行等寬這時導電溝道電阻用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結施加是一個反偏電壓模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第13頁/10/10（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐步增加至UGS=Up（夾斷電壓）當│UGS│逐步增加至UGS=Up

時（不妨取Up=-3伏），由UGS產生PN結左右相接，使導電溝道完全被夾斷。這時結型場效應管處于截止狀態(tài)。Up是結型場效應管一個參數(shù)，稱為夾斷電壓。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第14頁/10/10

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，結型場效應管進入擊穿狀態(tài)UGS增加使PN結上反偏電壓超出U（BR）DS時，結型場效應管將進入擊穿狀態(tài)。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第15頁/10/10（3）在UGS=0伏前提下，分別討論UDS由小變大過程中JFET幾個工作狀態(tài)（3.1）UGS=0伏:UDS值比較小時

UDS給PN結施加是一個反偏電壓模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第16頁/10/10導電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當UDS比較小時

，導電溝道不會被夾斷。在導電溝道沒有被夾斷之前，能夠近似地認為導電溝道電阻均為R1，此時導電溝道能夠認為是一個線性電阻。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第17頁/10/10（3.2)UGS=0伏、UDS值增加至│Up│時

PN結在靠近漏極一點最先相接，導電溝道被預夾斷。對應輸出特征曲線中A點。此時溝道中電流為可能最大電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第18頁/10/10（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加

模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第19頁/10/10當電壓源UDS增加時，能夠近似認為漏極電流不隨UDS增加而增加。此時電流依然是IDSS，JFET管狀態(tài)稱為恒流狀態(tài)（放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)）。此時場效應管可看成電壓控制器件用來組成放大電路。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第20頁/10/10（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DS

PN結上反偏電壓超出某值時，結型場效應管將進入擊穿狀態(tài)，如圖中B點所表示。此時UDS值為最大漏源電壓，記為U（BR）DS。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第21頁/10/10(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│某個值）前提下，當UDS由小變大時，JFET狀態(tài)(4.1)UGS=-1伏、UDS值比較小時導電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。近似地認為導電溝道電阻均為R2，導電溝道展現(xiàn)線性電阻性質。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第22頁/10/10(4.2)UGS=-1伏、UDS值增加至某值開始出現(xiàn)預夾斷

如圖所表示，當UDS值增加至某值（此值比│Up│?。r，兩邊PN結在靠近漏極某點最先相接，導電溝道被預夾斷,在此點有│UGS│+UDS=│Up│。JFET狀態(tài)對應輸出特征曲線中M點。M點對應UDS值比A點對應UDS值小，因為UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第23頁/10/10(4.3)UGS=-1伏、UDS值繼續(xù)增加當UDS繼續(xù)增加時，兩邊PN結相接區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴展，此時導電溝道在靠近源極區(qū)域依然存在，導電溝道對應電阻比較小。漏極電流不隨UDS增加而增加。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第24頁/10/10(4.4）UGS=-1伏、UDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結擊穿UGS

和UDS電壓源分別使PN結反偏，它們共同作用使靠近漏極PN結承受最大反偏電壓，UDS增加使PN結上反偏電壓過大時，在靠近漏極區(qū)域首先出現(xiàn)反向擊穿。結型場效應管進入反向擊穿狀態(tài)，此時UDS值比UGS=0時出現(xiàn)反向擊穿UDS小。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第25頁/10/10(5)當UGS≤UP時，JFET處于截止狀態(tài)當UGS≤UP時，導電溝道全部被夾斷，JFET處于截止狀態(tài)，在數(shù)字電路中作為開關元件一個狀態(tài),對應于開關斷開。

不一樣UGS下預夾斷點相連成一條曲線，此曲線與縱軸相夾區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。此時場效應管看成壓控可變電阻，即非線性電阻來使用?？勺冸娮鑵^(qū)在數(shù)字電路中作為開關元件一個狀態(tài)，相當于開關閉合，此時UDS記為UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第26頁/10/10JFET三個狀態(tài)恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第27頁/10/10小結溝道中只有一個類型多數(shù)載流子參加導電，所以場效應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。預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。思索：為何JFET輸入電阻比BJT高得多？JFET柵極與溝道間PN結是反向偏置，所以iG0，輸入電阻很高。JFET是利用PN結反向電壓對耗盡層厚度控制，來改變導電溝道寬窄，從而控制漏極電流大小。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第28頁/10/10場效應管應用小結

一是看成壓控可變電阻，即非線性電阻來使用，VGS絕對值越大，導電溝道就越窄，對應導電溝道電阻越大，即電壓VGS控制電阻大小，管子工作在可變電阻區(qū)，看成壓控可變電阻使用時，導電溝道還沒有出現(xiàn)預夾斷；

二是看成電壓控制器件用來組成放大電路，VGS電壓控制漏極電流大小，控制百分比系數(shù)為gm,VGS電壓絕對值越大，漏極電流越小，管子工作在恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)），此時導電溝道已經出現(xiàn)預夾斷，夾斷區(qū)域向漏極方向延伸，不過依然留存一部分導電溝道；

三是在數(shù)字電路中用做開關元件，管子工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)，有兩個明確、穩(wěn)定狀態(tài)。漏極和源極相當于開關兩個觸點，在可變電阻區(qū)，相當于開關閉合，在截止區(qū)，相當于開關斷開，場效應管相當于一個無觸點開關。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第29頁/10/10第三節(jié)絕緣柵場效應管（IGFET)結構和工作原理一、IGFET結構模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第30頁/10/10MOS場效應管N溝道增強型MOS管P溝道增強型MOS管N溝道耗盡型MOS管P溝道耗盡型MOS管MOS場效應管分類模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第31頁/10/10模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第32頁/10/10模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第33頁/10/10二、增強型MOS場效應管一N溝道增強型MOS場效應管結構二N溝道增強型MOS工作原理三N溝道增強型MOS場效應管特征曲線模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第34頁/10/10一、N溝道增強型MOS場效應管結構漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E絕緣柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導體所以稱之為MOS管模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第35頁/10/10P溝道增強型MOS場效應管結構模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第36頁/10/10二、N溝道增強型MOS工作原理模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第37頁/10/10按照以下思緒來講解：（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS電壓值為0；（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS電壓值為0；（4）電壓源VGS和電壓源VDS同時起作用。在給出各種情況下MOS場效應管工作狀態(tài)時，同時畫出對應輸出特征曲線。模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第38頁/10/10（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；

當VGS=0V，VDS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背PN結模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第39頁/10/10（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS電壓值為0；（2.1）當VDS=0V，VGS較小時，即使在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導電。（2.2）當VDS=0V，當VGS=VT時，在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導電溝道模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第40頁/10/10（2.3）當VDS=0V，VGS>VT時,溝道加厚開始時無導電溝道，當在VGSVT時才形成溝道,這種類型管子稱為增強型MOS管模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第41頁/10/10

（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS電壓值為大于開啟電壓某值（3.1）電壓源VDS值較小導電溝道在靠近源極一邊較寬，導電溝道在靠近漏極一邊較窄，展現(xiàn)楔型，此時導電溝道電阻近似認為與平行等寬時一樣。對應特征曲線可變電阻區(qū)電壓源VDS作用使導電溝道有電流流通，電流流通使導電溝道從漏極到源極有電位降模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第42頁/10/10

（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS電壓值為0（3.2）電壓源VDS值增加使VGD=VGS－VDS=VT導電溝道在靠近漏極一點剛開始出現(xiàn)夾斷，稱為預夾斷。此時漏極電流ID基本飽和。vDS(V)iD(mA)模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第43頁/10/10（3.3）電壓源VDS值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導電溝道夾斷區(qū)域向源極方向延伸，對應特征曲線飽和區(qū)，VDS增加部分基本降落在隨之加長夾斷溝道上，ID基本趨于不變。vDS(V)iD(mA)模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第44頁/10/10三、N溝道增強型MOS場效應管特征曲線增強型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

轉移特征曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特征曲線vDS(V)iD(mA)當vGS改變時，RON將隨之改變，所以稱之為可變電阻區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD基本不隨vDS改變而改變。vGS/V模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第45頁/10/10三、耗盡型MOS場效應管一N溝道耗盡型MOS場效應管結構二N溝道耗盡型MOS工作原理三N溝道耗盡型MOS場效應管特征曲線模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第46頁/10/10一、N溝道耗盡型MOS場效應管結構模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第47頁/10/10P溝道耗盡型MOS場效應管結構模擬電子技術基礎常用半導體器件場效應管第48頁/10/10二、N溝道耗盡型MOS場效應管工作原理

當VGS=0時，VDS加正向電壓，產生漏極電流iD,此時漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當VGS＞0時,將使iD深入增加。當