模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

/10/101.4.1結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和工作原理第1章慣用半導體器件1.4場效應(yīng)管模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第1頁/10/10作業(yè)1-141-151-16模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第2頁/10/10場效應(yīng)管出現(xiàn)歷史背景場效應(yīng)管用途場效應(yīng)管學習方法場效應(yīng)管分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第3頁/10/10場效應(yīng)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(yīng)管。場效應(yīng)管輸入電阻比雙極型三極管要大得多,場效應(yīng)管工作原理與雙極型三極管不一樣。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第4頁/10/10場效應(yīng)管用途場效應(yīng)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(guān)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(guān)元件。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第5頁/10/10場效應(yīng)管學習方法學習中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們相同點和不一樣點。場效應(yīng)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(yīng)。場效應(yīng)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(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yīng)管FET結(jié)型JFETIGFET(MOSFET)絕緣柵型場效應(yīng)管分類模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第7頁一、結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場效應(yīng)管工作原理三、結(jié)型場效應(yīng)管特征曲線及參數(shù)第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)結(jié)構(gòu)和工作原理模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第8頁一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第9頁/10/10二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)工作原理參考方向做以下約定:模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(jié)型場效應(yīng)管工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(jié)施加是一個反偏電壓模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(chǎn)生PN結(jié)左右相接，使導電溝道完全被夾斷。這時結(jié)型場效應(yīng)管處于截止狀態(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)管一個參數(shù)，稱為夾斷電壓。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第14頁/10/10

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，結(jié)型場效應(yīng)管進入擊穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)上反偏電壓超出U（BR）DS時，結(jié)型場效應(yīng)管將進入擊穿狀態(tài)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(jié)施加是一個反偏電壓模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第17頁/10/10（3.2)UGS=0伏、UDS值增加至│Up│時

PN結(jié)在靠近漏極一點最先相接，導電溝道被預(yù)夾斷。對應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第18頁/10/10（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yīng)管可看成電壓控制器件用來組成放大電路。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第20頁/10/10（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DS

PN結(jié)上反偏電壓超出某值時，結(jié)型場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(zhì)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第22頁/10/10(4.2)UGS=-1伏、UDS值增加至某值開始出現(xiàn)預(yù)夾斷

如圖所表示，當UDS值增加至某值（此值比│Up│小）時，兩邊PN結(jié)在靠近漏極某點最先相接，導電溝道被預(yù)夾斷,在此點有│UGS│+UDS=│Up│。JFET狀態(tài)對應(yīng)輸出特征曲線中M點。M點對應(yīng)UDS值比A點對應(yīng)UDS值小，因為UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(jié)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(yīng)電阻比較小。漏極電流不隨UDS增加而增加。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第24頁/10/10(4.4）UGS=-1伏、UDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結(jié)擊穿UGS

和UDS電壓源分別使PN結(jié)反偏，它們共同作用使靠近漏極PN結(jié)承受最大反偏電壓，UDS增加使PN結(jié)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(jié)型場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(guān)元件一個狀態(tài),對應(yīng)于開關(guān)斷開。

不一樣UGS下預(yù)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(yīng)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(guān)元件一個狀態(tài)，相當于開關(guān)閉合，此時UDS記為UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第27頁/10/10小結(jié)溝道中只有一個類型多數(shù)載流子參加導電，所以場效應(yīng)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(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)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(jié)是反向偏置，所以iG0，輸入電阻很高。JFET是利用PN結(jié)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第28頁/10/10場效應(yīng)管應(yīng)用小結(jié)

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(yīng)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(yù)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(jīng)出現(xiàn)預(yù)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(guān)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(guān)兩個觸點，在可變電阻區(qū)，相當于開關(guān)閉合，在截止區(qū)，相當于開關(guān)斷開，場效應(yīng)管相當于一個無觸點開關(guān)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第29頁/10/10第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET)結(jié)構(gòu)和工作原理一、IGFET結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第30頁/10/10MOS場效應(yīng)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(yīng)管分類模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第31頁/10/10模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第32頁/10/10模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第33頁/10/10二、增強型MOS場效應(yīng)管一N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道增強型MOS工作原理三N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特征曲線模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第34頁/10/10一、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第35頁/10/10P溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第36頁/10/10二、N溝道增強型MOS工作原理模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yīng)管工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)輸出特征曲線。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(jié)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yù)夾斷。此時漏極電流ID基本飽和。vDS(V)iD(mA)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)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(yīng)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第44頁/10/10三、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特征曲線增強型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

轉(zhuǎn)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(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第45頁/10/10三、耗盡型MOS場效應(yīng)管一N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)二N溝道耗盡型MOS工作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特征曲線模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第46頁/10/10一、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第47頁/10/10P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)常用半導體器件場效應(yīng)管第48頁/10/10二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理

當VGS=0時，VDS加正向電壓，產(chǎn)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