模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第1章常用半導(dǎo)體器件14場效應(yīng)管課件

2023/7/191.4.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.2絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理第1章常用半導(dǎo)體器件1.4場效應(yīng)管12023/7/19作業(yè)1-141-151-1622023/7/19場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法場效應(yīng)管的分類第一節(jié)場效應(yīng)管概述32023/7/19場效應(yīng)管出現(xiàn)的歷史背景1947年貝爾實驗室的科學(xué)家發(fā)明的雙極型三極管代替了真空管，解決了當(dāng)時電話信號傳輸中的放大問題。但是這種放大電路的輸入電阻還不夠大，性能還不夠好。因此，貝爾實驗室的科學(xué)家繼續(xù)研究新型的三極管，在1960年發(fā)明了場效應(yīng)管。場效應(yīng)管的輸入電阻比雙極型三極管要大得多,場效應(yīng)管的工作原理與雙極型三極管不同。42023/7/19場效應(yīng)管的用途場效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當(dāng)作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。三是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用；雙極型三極管只有兩種用途：一是當(dāng)作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。52023/7/19場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)中不要把場效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開來，應(yīng)注意比較它們的相同點和不同點。場效應(yīng)管的柵極、漏極、源極分別與雙極型三極管的基極、集電極、發(fā)射極對應(yīng)。場效應(yīng)管與雙極型三極管的工作原理不同,但作用基本相同。場效應(yīng)管還可以當(dāng)作非線性電阻來使用,而雙極型三極管不能。62023/7/19N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)管的分類7一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理三、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及參數(shù)第二節(jié)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理2023/7/198一、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu)P+P+NGSD導(dǎo)電溝道N+N+PGSDN溝道JFETP溝道JFET柵極漏極源極2023/7/1992023/7/19二、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)的工作原理參考方向做如下約定:102023/7/19（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的電壓值為0；（3）只有電壓源UDS起作用，電壓源UGS的電壓值為0；（4）電壓源UGS和電壓源UDS同時起作用。在給出各種情況下的結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)的輸出特性曲線。特別注意:電壓參考方向和電流參考方向的約定方法。參考方向可以任意約定,不同的約定方法得到不同樣式的特性曲線.書上的特性曲線是按前面的方法來約定參考方向的。按照如下的思路來講解：112023/7/19（1）UDS=0伏、UGS=0伏時JFET的工作狀態(tài)導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬。最寬這時導(dǎo)電溝道的電阻記為R1。122023/7/19（2）在UDS=0伏的前提下：│

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

此時導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬這時的導(dǎo)電溝道的電阻用R2表示。R2要大于R1UGS給PN結(jié)施加的是一個反偏電壓132023/7/19（2.2)UDS=0伏:│UGS│逐漸增加至UGS=Up（夾斷電壓）當(dāng)│UGS│逐漸增加至UGS=Up

時（不妨取Up=-3伏），由UGS產(chǎn)生的PN結(jié)左右相接，使導(dǎo)電溝道完全被夾斷。這時的結(jié)型場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。Up是結(jié)型場效應(yīng)管的一個參數(shù)，稱為夾斷電壓。142023/7/19

（2.3）

UDS=0伏:│UGS│繼續(xù)增加，結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入擊穿狀態(tài)UGS增加使PN結(jié)上的反偏電壓超過U（BR）DS時，結(jié)型場效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)。152023/7/19（3）在UGS=0伏的前提下，分別討論UDS由小變大的過程中JFET的幾種工作狀態(tài)（3.1）UGS=0伏:UDS的值比較小時UDS給PN結(jié)施加的是一個反偏電壓162023/7/19導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當(dāng)UDS比較小時

，導(dǎo)電溝道不會被夾斷。在導(dǎo)電溝道沒有被夾斷之前，可以近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R1，此時導(dǎo)電溝道可以認(rèn)為是一個線性電阻。172023/7/19（3.2)UGS=0伏、UDS的值增加至│Up│時

PN結(jié)在靠近漏極的一點最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷。對應(yīng)輸出特性曲線中的A點。此時溝道中的電流為可能的最大的電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS。182023/7/19（3.3)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加

192023/7/19當(dāng)電壓源UDS增加時，可以近似認(rèn)為漏極電流不隨UDS的增加而增加。此時的電流仍然是IDSS，JFET管的狀態(tài)稱為恒流狀態(tài)（放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)）。此時場效應(yīng)管可當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路。202023/7/19（3.4)UGS=0伏、UDS繼續(xù)增加至U（BR）DS

PN結(jié)上的反偏電壓超過某值時，結(jié)型場效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)，如圖中的B點所示。此時的UDS值為最大漏源電壓，記為U（BR）DS。212023/7/19(4)在UGS=-1伏（即│UGS│<│Up│的某個值）的前提下，當(dāng)UDS由小變大時，JFET的狀態(tài)(4.1)UGS=-1伏、UDS的值比較小時導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R2，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻的性質(zhì)。222023/7/19(4.2)UGS=-1伏、UDS的值增加至某值開始出現(xiàn)預(yù)夾斷如圖所示，當(dāng)UDS的值增加至某值（此值比│Up│?。r，兩邊的PN結(jié)在靠近漏極的某點最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷,在此點有│UGS│+UDS=│Up│。JFET的狀態(tài)對應(yīng)輸出特性曲線中的M點。M點對應(yīng)的UDS值比A點對應(yīng)的UDS值小，因為UDS=│Up│-│UGS│<│Up│。232023/7/19(4.3)UGS=-1伏、UDS的值繼續(xù)增加當(dāng)UDS繼續(xù)增加時，兩邊PN結(jié)相接的區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴(kuò)展，此時導(dǎo)電溝道在靠近源極的區(qū)域依然存在，導(dǎo)電溝道對應(yīng)的電阻比較小。漏極電流不隨UDS的增加而增加。242023/7/19(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的PN結(jié)承受最大的反偏電壓，UDS增加使PN結(jié)上的反偏電壓過大時，在靠近漏極的區(qū)域首先出現(xiàn)反向擊穿。結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入反向擊穿狀態(tài)，此時的UDS值比UGS=0時出現(xiàn)反向擊穿的UDS小。252023/7/19(5)當(dāng)UGS≤UP時，JFET處于截止?fàn)顟B(tài)當(dāng)UGS≤UP時，導(dǎo)電溝道全部被夾斷，JFET處于截止?fàn)顟B(tài)，在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個狀態(tài),對應(yīng)于開關(guān)斷開。

不同UGS下預(yù)夾斷點相連成一條曲線，此曲線與縱軸相夾的區(qū)域稱為可變電阻區(qū)。此時場效應(yīng)管當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用。可變電阻區(qū)在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件的一個狀態(tài)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，此時的UDS記為UDS（sat），

UDS（sat）≤│Up│。261.什么是傳統(tǒng)機(jī)械按鍵設(shè)計？傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵設(shè)計是需要手動按壓按鍵觸動PCBA上的開關(guān)按鍵來實現(xiàn)功能的一種設(shè)計方式。傳統(tǒng)機(jī)械按鍵設(shè)計要點：1.合理的選擇按鍵的類型，盡量選擇平頭類的按鍵，以防按鍵下陷。2.開關(guān)按鍵和塑膠按鍵設(shè)計間隙建議留0.05~0.1mm，以防按鍵死鍵。3.要考慮成型工藝，合理計算累積公差，以防按鍵手感不良。傳統(tǒng)機(jī)械按鍵結(jié)構(gòu)層圖：按鍵開關(guān)鍵PCBA2023/7/19JFET的三個狀態(tài)恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)282023/7/19小結(jié)溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)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。思考：為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。JFET是利用PN結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的控制，來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流的大小。292023/7/19場效應(yīng)管的應(yīng)用小結(jié)

一是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來使用，VGS的絕對值越大，導(dǎo)電溝道就越窄，對應(yīng)的導(dǎo)電溝道電阻越大，即電壓VGS控制電阻的大小，管子工作在可變電阻區(qū)，當(dāng)作壓控可變電阻使用時，導(dǎo)電溝道還沒有出現(xiàn)預(yù)夾斷；

二是當(dāng)作電壓控制器件用來組成放大電路，VGS電壓控制漏極電流的大小，控制比例系數(shù)為gm,VGS電壓的絕對值越大，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(dǎo)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，但是仍然留存一部分導(dǎo)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)定的狀態(tài)。漏極和源極相當(dāng)于開關(guān)的兩個觸點，在可變電阻區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)閉合，在截止區(qū)，相當(dāng)于開關(guān)斷開，場效應(yīng)管相當(dāng)于一個無觸點的開關(guān)。302023/7/19第三節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET)的結(jié)構(gòu)和工作原理一、IGFET的結(jié)構(gòu)312023/7/19MOS場效應(yīng)管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管MOS場效應(yīng)管分類322023/7/19332023/7/19342023/7/19二、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的工作原理三N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線352023/7/19一、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(dǎo)體因此稱之為MOS管362023/7/19P溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)372023/7/19二、N溝道增強型MOS的工作原理382023/7/19按照如下的思路來講解：（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的電壓值為0；（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0；（4）電壓源VGS和電壓源VDS同時起作用。在給出各種情況下的MOS場效應(yīng)管的工作狀態(tài)時，同時畫出對應(yīng)的輸出特性曲線。392023/7/19（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；

當(dāng)VGS=0V，VDS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的PN結(jié)402023/7/19（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（2.1）當(dāng)VDS=0V，VGS較小時，雖然在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。（2.2）當(dāng)VDS=0V，當(dāng)VGS=VT時，在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道412023/7/19（2.3）當(dāng)VDS=0V，VGS>VT時,溝道加厚開始時無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在VGSVT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管422023/7/19

（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為大于開啟電壓的某值（3.1）電壓源VDS的值較小導(dǎo)電溝道在靠近源極的一邊較寬，導(dǎo)電溝道在靠近漏極的一邊較窄，呈現(xiàn)楔型，此時導(dǎo)電溝道的電阻近似認(rèn)為與平行等寬時的一樣。對應(yīng)特性曲線的可變電阻區(qū)電壓源VDS的作用使導(dǎo)電溝道有電流流通，電流的流通使導(dǎo)電溝道從漏極到源極有電位降432023/7/19

（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0（3.2）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS=VT導(dǎo)電溝道在靠近漏極的一點剛開始出現(xiàn)夾斷，稱為預(yù)夾斷。此時的漏極電流ID基本飽和。vDS(V)iD(mA)442023/7/19（3.3）電壓源VDS的值增加使VGD=VGS－VDS＜VT導(dǎo)電溝道夾斷的區(qū)域向源極方向延伸，對應(yīng)特性曲線的飽和區(qū)，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。vDS(V)iD(mA)452023/7/19三、N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強型MOS管iD=f(vGS)vDS=C

轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(vDS)vGS=C輸出特性曲線vDS(V)iD(mA)當(dāng)vGS變化時，RON將隨之變化，因此稱之為可變電阻區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))：vGS一定時，iD基本不隨vDS變化而變化。vGS/V462023/7/19三、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的工作原理三N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線472023/7/19一、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)482023/7/19P溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)492023/7/19二、N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理

當(dāng)VGS=0時，VDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流iD,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當(dāng)VGS＞0時,將使iD進(jìn)一步增加。