模電 14 場(chǎng)效應(yīng)管課件

§1.4

場(chǎng)效應(yīng)管1.熟悉場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、分類2.了解場(chǎng)效應(yīng)管的的工作原理、主要參數(shù)和應(yīng)用絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)重點(diǎn)2/6/2023模電課件§1.4場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，由于它僅靠一種載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道2/6/2023模電課件1、N溝道增強(qiáng)型MOS管一、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)金屬層氧化物層半導(dǎo)體層S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底(1)結(jié)構(gòu)符號(hào)2/6/2023模電課件++NNP型襯底u(yù)DSuGS②uDS＝0，uGS>0

uGS排斥SiO2附近的空穴，剩下不能移動(dòng)的離子，形成耗盡層；襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個(gè)N型薄層，即反型層，也是d－s之間的導(dǎo)電溝道；

隨著uGS增大，開啟電壓UGS(th)：剛剛形成反型層的uGS電壓。SDG2/6/2023模電課件++NNP型襯底u(yù)DSuGS③uGS>UGS(th)，uDS>0由于有導(dǎo)電溝道，會(huì)產(chǎn)生漏極電流iD；iD導(dǎo)電溝道存在電位梯度，導(dǎo)電溝道不均勻，沿著s→d方向逐漸變窄；當(dāng)uDS=

UGSUGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷；當(dāng)uDS較大，uDS>UGSUGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)夾斷；此時(shí)，iD的大小與uDS無關(guān)，由uGS決定，恒流區(qū)。當(dāng)uDS較小，uDS<

UGSUGS(th)時(shí),uDS增大,iD也增大,可變電阻區(qū)；SDG2/6/2023模電課件（3）特性曲線與電流方程①輸出特性曲線uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可變電阻區(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)預(yù)夾斷軌跡iD=f(uDS)對(duì)應(yīng)不同的UGS下得一簇曲線夾斷區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)輸出特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）2/6/2023模電課件輸出特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流區(qū)：uDS>UGSUGS(th)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)夾斷，iD取決于uGS

，而與uDS無關(guān)；恒流區(qū)2/6/2023模電課件輸出特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）

可變電阻區(qū)：

導(dǎo)電溝道未夾斷前，，對(duì)應(yīng)不同的uGS，d－s間可等效不同的電阻；uDS<

UGSUGS(th)uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2可變電阻區(qū)2/6/2023模電課件②轉(zhuǎn)移特性曲線與電流方程UGS(th)2UGS(th)IDOuGSiD轉(zhuǎn)移特性曲線:電流方程:IDO：uGS＝2UGS(th)時(shí)的iD。恒流區(qū)：iD基本上由uGS決定，與UDS關(guān)系不大uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線2/6/2023模電課件2、N溝道耗盡型MOS管在G的下方，在SiO2中摻入大量的正離子，即使uGS＝0，也會(huì)吸引P中的電子形成溝道。--gs+NdbN++++++++++++P型襯底u(yù)GSuDSiD

想讓溝道消失，必須加足夠負(fù)電壓。

夾斷電壓UGS(off)：反型層消失時(shí)的uGS，為負(fù)值。sgdbN溝道符號(hào)：

N溝道耗盡型MOS管的uGS可以為正，也可以為負(fù)。iD2/6/2023模電課件3、P溝道增強(qiáng)型導(dǎo)電溝道是P型，所以襯底是N型。

P溝道MOS的工作原理與N溝道MOS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。iD2/6/2023模電課件4、P溝道耗盡型5、VMOS管（自學(xué)）2/6/2023模電課件1、工作原理

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作，應(yīng)在uGS<0，耗盡層承受反向電壓（uGS對(duì)溝道的控制作用，又保證柵－源之間內(nèi)阻很高），uDS>0，形成漏極電流iD。（1）

uGS對(duì)溝道的控制作用耗盡層NP+P+sdg③當(dāng)│uGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。uGS=UGS(off)夾斷電壓。在柵源間加負(fù)電壓uGS

，令uDS=0①當(dāng)uGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│uGS│↑時(shí)，溝道電阻增大。

VGG（uGS）2/6/2023模電課件（2）當(dāng)uGS為0～UGS(off)中某一值，uDS對(duì)iD的影響NP+P+dgs

VGG（uGS）

VDD（uDS）iD①當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。②當(dāng)uDS≠0時(shí)，從d→s電位依次減小，即耗盡層承受的反向電壓由d→s逐漸減小，故寬度也沿著d→s方向逐漸變窄。uDS→

iD③當(dāng)uGD=UGS(off)時(shí)，漏極的耗盡層出現(xiàn)夾斷。＋－uDS＋－uGS＋uGD－uGD＋uDS－uGS＝0uGD＝uGS－

uDS2/6/2023模電課件NP+P+dgs

VGG（uGS）

VDD（uDS）iD③當(dāng)uGD<UGS(off)時(shí)，漏極的耗盡層夾斷層加長。uDS增大，電流iD基本不變。（3）當(dāng)uGD<UGS(off)時(shí)，uGS對(duì)iD的控制作用當(dāng)uGD<UGS(off)時(shí)，當(dāng)uDS為常量時(shí)，uGS的大小影響iD的大小，也就是說，可以通過改變uGS控制iD的大小。隨uDS的加大，uGD

越來越負(fù)。2/6/2023模電課件3、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線（1）輸出特性曲線可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)夾斷區(qū)iD(mA)uDS(V)uGS＝0VuGS＝－1VuGS＝－2VuGS＝－3VuGS＝－4V預(yù)夾斷軌跡①可變電阻區(qū)：導(dǎo)電溝道未夾斷前，uDS與iD線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)不同的uGS，d－s間可等效不同的電阻；②恒流區(qū)：導(dǎo)電溝道出現(xiàn)夾斷，iD取決于uGS

，而與uDS無關(guān)；③預(yù)夾斷軌跡：uGD＝uGS－uDS＝UGS(off)④夾斷區(qū)：uGS<UGS(off)時(shí)，導(dǎo)電溝道完全被夾斷，iD≈0。2/6/2023模電課件（2）轉(zhuǎn)移特性曲線iD(mA)uDS(V)uGS＝0VuGS＝－1VuGS＝－2VuGS＝－3VuGS＝－4V0-3-12iD(mA)uGS（V）1-4-243UGS（off）IDSS恒流區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線近似一條IDSS：飽和漏電流。uGS=0時(shí)，uGD＝UGS(off)時(shí)漏極電流；2/6/2023模電課件三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th)：增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)（2）夾斷電壓UGS(off)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)（3）飽和漏極電流IDSS：耗盡型管，在UGS＝0時(shí)產(chǎn)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流P49圖1.4.13場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)及特性2/6/2023模電課件3、極限參數(shù)（2）極間電容：

場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)極之間均存在極間電容。高頻電路中，考慮極間電容的影響。管子的最高工作頻率fM是綜合考慮了三個(gè)電容的影響而確定的工作頻率的上限值。（1）最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。（2）擊穿電壓：U(BR)DS：管子進(jìn)入恒流區(qū)后，使iD驟然增大的uDS。U(BR)GS：結(jié)型管：使柵極與溝道間PN結(jié)反向擊穿的uGS。MOS管：使絕緣層擊穿的uGS。2/6/2023模電課件（3）最大耗散功率PDM：PDM決定管子允許的溫升。PDM確定后，可在管子的輸出特性曲線上畫出臨界最大功耗線，再根據(jù)由IDM和U(BR)DS可得到管子的安全工作區(qū)。四、MOS管使用注意事項(xiàng)2、在使用場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，要注意漏源電壓、漏源電流及耗散功率等，不要超過規(guī)定的最大允許值。1、保存MOS管應(yīng)使三個(gè)電極短接，避免柵極懸空；2/6/2023模電課件

MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入阻抗非常高，這本來是它的優(yōu)點(diǎn)，但在使用上卻帶來新的問題．由于輸入阻抗高，當(dāng)帶電荷物體一旦靠近柵極時(shí)，在柵極感應(yīng)出來的電荷就很難通過這個(gè)電阻泄放掉，電荷的累積造成了電壓的升高，尤其是在極間電容比較小的情況本下，少量的電荷就會(huì)產(chǎn)生較高的電壓，以至管子還沒使用或者在焊接時(shí)就已經(jīng)擊穿或者出現(xiàn)指標(biāo)下降的現(xiàn)象，特別是MOS管，其絕緣層很薄，更易擊穿損壞。

保存MOS管應(yīng)使三個(gè)電極短接，避免柵極懸空2/6/2023模電課件晶體管噪聲

在晶體管內(nèi)，載流子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起不規(guī)則變化的電流起伏，因而產(chǎn)生不規(guī)則變化的電壓起伏，這種不規(guī)則變化的電流和電壓形成晶體管的噪聲。晶體管噪聲是晶體管的重要參數(shù)。

晶體管按工作原理可分為兩大類，一類是雙極型晶體管；另一類是單極型晶體管,即場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。雙極型晶體管的噪聲按物理來源通常分為四類：熱噪聲、散粒噪聲、配分噪聲和1/f噪聲。

熱噪聲

晶體管的基區(qū)或各項(xiàng)電阻上載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流起伏，即為熱噪聲。由于熱噪聲頻譜是均勻分布的，又稱為白噪聲。

散粒噪聲

晶體管中少數(shù)載流子通過發(fā)射極－基極結(jié)注入到基區(qū)時(shí),少數(shù)載流子的數(shù)目和速度都有起伏,引起通過結(jié)的電流的微小變化。同時(shí)，少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，包括所產(chǎn)生的復(fù)合過程也將引起電流起伏，這些都屬于晶體管的散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無關(guān)。

配分噪聲

在晶體管基區(qū)中，發(fā)射極電流的一部分變?yōu)榧姌O電流，另一部分變?yōu)榛鶚O電流，有一個(gè)由空穴－電子復(fù)合作用而定的電流分配系數(shù)。復(fù)合現(xiàn)象本身同樣受到熱起伏效應(yīng)的影響，因此分配系數(shù)不是恒定的。它的微小變化也會(huì)引起集電極電流的起伏，這就是晶體管的配分噪聲。

參考資料：2/6/2023模電課件1/f噪聲

在晶體管噪聲頻譜(圖)中，低頻時(shí)噪聲急劇上升,呈1/fn關(guān)系。隨工藝條件、表面處理和環(huán)境氣氛等的不同，n取1～2之間,故常稱為1/f噪聲。低頻噪聲產(chǎn)生的原因和機(jī)理很復(fù)雜,尚待深入研究。

噪聲系數(shù)

晶體管的噪聲系數(shù)有多種定義方法。常用輸入信噪比與輸出信噪比的相對(duì)比值作為晶體管的噪聲系數(shù),即

。噪聲系數(shù)通常以分貝為單位來表示。降低晶體管噪聲的主要途徑是提高截止頻率和