模电第5讲场效应管

第 五 讲 场 效 应 管一 、 场 效 应 管 的 结 构 和 符 号二 、 场 效 应 管 的 放 大 原 理三 、 场 效 应 管 的 特 性 曲 线四 、 主 要 参 数 MOS场 效 应 晶 体 管场效应管 结 型 场 效 应 三 极 管 JFET绝 缘 栅 型 场 效 应 三 极 管 IGFET分 类 N沟 道P沟 道 一 、 结 型 场 效 应 晶 体 管结 构 G 栅 极 （ 基 极 ）S 源 极 （ 发 射 极 ）D 漏 极 （ 集 电 极 ）在 N型 半 导 体 硅 片的 两 侧 各 制 造 一 个PN结 ， 形 成 两 个PN结 夹 着 一 个 N型沟 道 的 结 构 。 P区即 为 栅 极 ， N型 硅的 一 端 是 漏 极 ， 另一 端 是 源 极 。 工 作 原 理 以 N沟 道 PN结 结 型 FET为例正 常放 大时 外加 偏置 电压 的要 求 问 题 ： 如 果 是 P沟 道 ， 直 流 偏 置 应 如 何 加 ？ 0DSV VGS0， 使 形 成 漏电 流 iD。 0GSV 栅 源 电 压 对 沟 道 的 控 制 作 用当 V GS=0时 ， 在 漏 、 源 之 间 加 有 一 定 电 压 时 ， 在 漏 源间 将 形 成 多 子 的 漂 移 运 动 ， 产 生 漏 极 电 流 。当 VGS 0时 ， PN结 反 偏 ， 耗 尽 层 变 宽 ， 漏 源 间 的沟 道 将 变 窄 ， ID将 减 小 。VGS继 续 减 小 ， 沟 道 继 续 变 窄 ， ID继 续 减 小 直 至 为 0。 当漏 极 电 流 为 零 时 所 对 应 的 栅 源 电 压 VGS称 为 夹 断 电 压 VP。 漏 源 电 压 对 沟 道 的 控 制 作 用当 V GS=0,VDS=0时 ， 漏 电 流 ID=0当 VGS=0,VDS增 大 时 ， 漏 电 流 ID也 增 大 。 此 时 由 于 存 在 沟 道 电 阻 ，将 使 沟 道 内 电 位 分 布 不 均 匀 ， 其 中 d端 与 栅 极 间 的 反 压 最 高 ， 沿 着沟 道 向 下 逐 渐 降 低 ， 源 端 最 低 ， 从 而 使 耗 尽 层 成 楔 形 分 布 。 当 VDS继 续 增 大 到 使 VGS-VDS=VP时 ， d端附 近 的 沟 道 被 夹 断 ， 这 称 为 “ 预 夹断 ” 。 出 现 预 夹 断 后 ， 当 VDS继 续 增 大 时 ， 夹 断 长 度 会 自 上 向下 延 伸 ， 但 从 源 极 到 夹 断 处 的 沟 道 上 沟 道 电 场 基 本 不随 VDS变 化 ， ID基 本 不 随 VDS增 加 而 上 升 ， 趋 于 饱 和 值 。 特 性 曲 线 (b) N沟 道 结 型 FET转 移 特 性 曲 线(a) N沟 道 结 型 FET输 出 特 性 曲 线 2(1 )GSD DSS Pvi I V -GD GS DS Pv v v V 增 强 型耗 尽 型N沟 道 P沟 道N沟 道 P沟 道二 、 绝 缘 栅 型 场 效 应 管金属氧化物半导体三极管 MOS管 结 构以 N沟 道增 强型MOS管为例 G 栅 极 （ 基 极 ）S 源 极 （ 发 射 极 ）D 漏 极 （ 集 电 极 ）B 衬 底N沟 道 增 强 型MOSFET基 本 上 是一 种 左 右 对 称 的 拓扑 结 构 ， 它 是 在 P型 半 导 体 上 生 成 一层 SiO2 薄 膜 绝 缘 层， 然 后 用 光 刻 工 艺扩 散 两 个 高 掺 杂 的N型 区 ， 从 N型 区 引出 电 极 MOS管 工 作 原 理 以 N沟 道 增 强型 MOS管 为例正 常放 大时 外加 偏置 电压 的要 求 0 GSV 0DSV 问 题 ： 如 果 是 P沟 道 ， 直 流 偏 置 应 如 何 加 ？ 栅 源 电 压 VGS对 iD的 控 制 作 用V GS|VP|时 所 对 应 的 漏 极电 流 。输 入 电 阻 RGSMOS管 由 于 栅 极 绝 缘 ， 所 以 其 输 入 电阻 非 常 大 ， 理 想 时 可 认 为 无 穷 大 。饱 和 漏 极 电 流 IDSS 场 效 应 管 参 数低 频 跨 导 指 漏 极 电 流 变 化 量 与 栅 压 变 化 量 的比 值 ， 可 以 在 转 移 特 性 曲 线 上 求 取 。最 大 漏 极 功 耗 PDM最 大 漏 极 功 耗 可 由 P DM= VDS ID决 定 ，与 双 极 型 三 极 管 的 PCM相 当 。低 频 跨 导 gm DSDm VGSig v 2 n GS TNK V V 2( )D n GS TNi K v V 以 MOS管 为 例 BJT与 FET的 比 较双 极 型 三 极 管 场 效 应 三 极 管结 构 NPN型 ， PNP型C与 E不 可 倒 置 使 用 结 型 耗 尽 型 ： N沟 道 P沟 道绝 缘 栅 增 强 型 ： N沟 道 P沟 道绝 缘 栅 耗 尽 型 ： N沟 道 P沟 道D与 S可 倒 置 使 用载 流子 多 子 、 少 子 均 参 与导 电 多 子 参 与 导 电输 入量 电 流 输 入 电 压 输 入控 制 电 流 控 制 电 流 电 压 控 制 电 流 BJT与 FET的 比 较双 极 型 三 极 管 场 效 应 三 极 管噪 声 较 大 较 小温 度特 性 受 温 度 影 响 较 大 受 温 度 影 响 较 小 ， 有 零 温度 系 数 点输 入电 阻 几 十 到 几 千 欧 姆 几 兆 欧 姆 以 上静 电影 响 不 受 静 电 影 响 易 受 静 电 影 响集 成工 艺 不 易 大 规 模 集 成 适 合 于 大 规 模 和 超 大 规 模集 成