模拟电子技术第四节-场效应三极管教材课件

1 1第四节第四节 场效应三极管场效应三极管第四节第四节 场效应三极管场效应三极管 结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数下页下页总目录总目录2 2第四节第四节 场效应三极管场效应三极管场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。（多数载流子），故称为单极型三极管。（多数载流子），故称为单极型三极管。（多数载流子），故称为单极型三极管。分类：分类：分类：分类：结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管增强型增强型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型N N沟道沟道沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道N N沟道沟道沟道沟道N N沟道沟道沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道P P沟道沟道沟道沟道下页下页上页上页首页首页3 3第四节第四节 场效应三极管场效应三极管N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极结型场效应管结构结型场效应管结构导电沟道导电沟道4 4第四节第四节 场效应三极管场效应三极管NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS5 5第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS6 6第四节第四节 场效应三极管场效应三极管一、一、N N沟道沟道结型场效应管结型场效应管1.1.结构结构结构结构N N型型型型沟沟沟沟道道道道耗耗耗耗尽尽尽尽层层层层g gd ds sg gd ds sP P+P P+N沟道结型场效应管的结构和符号栅栅栅栅极极极极漏极漏极漏极漏极源极源极源极源极下页下页上页上页首页首页控制电子流通控制电子流通控制电子流通控制电子流通数量数量数量数量7 7第四节第四节 场效应三极管场效应三极管2.2.工作原理（以工作原理（以工作原理（以工作原理（以N N沟道为例）沟道为例）沟道为例）沟道为例）u uGSGS =0=0u uGSGS 0 U UGS(offGS(off)u uGSGS 0 U UGS(offGS(off)当当当当u uDSDS 0 0 时，时，时，时，u uGSGS 对耗尽层和对耗尽层和对耗尽层和对耗尽层和 i iD D 的影响。的影响。的影响。的影响。N NP P+P P+V VGGGGV VDDDDg gd ds sN NP P+P P+V VDDDDg gd ds s沟道变窄，沟道变窄，沟道变窄，沟道变窄，i iD D 较小。较小。较小。较小。下页下页上页上页首页首页9 9第四节第四节 场效应三极管场效应三极管N NP P+P P+i iD Di iS SV VGGGGV VDDDDP P+P P+i iD Di iS SV VGGGGV VDDDDu uGSGS 0 0，u uGDGD=U UGS(offGS(off)，u uGSGS U UGS(offGS(off)，u uGDGD U UGS(offGS(off)，i iD D 0 0，导电沟道夹断。导电沟道夹断。导电沟道夹断。导电沟道夹断。i iD D更小，更小，更小，更小，导电沟道预夹断。导电沟道预夹断。导电沟道预夹断。导电沟道预夹断。下页下页上页上页首页首页动画动画1010第四节第四节 场效应三极管场效应三极管3.3.特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线 转移特性转移特性转移特性转移特性i iD D =f f（u uGSGS）|u uDSDS=常数常数常数常数g gd ds smAmAV VV VI ID DV VGGGGV VDDDD场效应管特性曲线测试电路沟道结型场效应管转移特性I IDSSDSSU UGS(offGS(off)饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流栅源栅源栅源栅源间加反向电压间加反向电压间加反向电压间加反向电压 u uGSGS 0 0利用场效应管输入电阻高的优点。利用场效应管输入电阻高的优点。利用场效应管输入电阻高的优点。利用场效应管输入电阻高的优点。u uGSGS/V/Vi iD D/mA/mAO O下页下页上页上页首页首页1111第四节第四节 场效应三极管场效应三极管 漏极特性漏极特性漏极特性漏极特性(输出特性输出特性输出特性输出特性)i iD D=f f（u uDSDS）|u uGSGS=常数常数常数常数预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹可变可变可变可变电阻区电阻区电阻区电阻区恒流区恒流区恒流区恒流区击穿区击穿区击穿区击穿区|U UGS(off)GS(off)|8V|8VI IDSSDSSu uGSGS=0=0-4-4-2-2-6-6-8-8i iD D/mA/mAu uDSDS/V/VO O|u uDSDS-u uGSGS|=|=|U UGS(offGS(off)|可变电阻区：可变电阻区：可变电阻区：可变电阻区：i iD D 与与与与u uDSDS 基本上呈线性关系，基本上呈线性关系，基本上呈线性关系，基本上呈线性关系，但不同的但不同的但不同的但不同的u uGSGS 其斜率不同。其斜率不同。其斜率不同。其斜率不同。恒流区：恒流区：恒流区：恒流区：又称饱和区，又称饱和区，又称饱和区，又称饱和区，i iD D 几乎与几乎与几乎与几乎与u uDSDS 无关，无关，无关，无关，i iD D 的值受的值受的值受的值受u uGSGS 控制。控制。控制。控制。N沟道结型场效应管的漏极特性击穿区：击穿区：击穿区：击穿区：反向偏置的反向偏置的反向偏置的反向偏置的PNPN结被击穿，结被击穿，结被击穿，结被击穿，i iD D 电流突然增大。电流突然增大。电流突然增大。电流突然增大。夹断电压夹断电压夹断电压夹断电压下页下页上页上页首页首页1212第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS二、二、P P沟道结型场效应管沟道结型场效应管1.1.结构结构结构结构1313第四节第四节 场效应三极管场效应三极管2.2.工作原理（以工作原理（以工作原理（以工作原理（以P P沟道为例）沟道为例）沟道为例）沟道为例）UDS=0V时时PGSDUDSUGSNNNNIDPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。窄。1414第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V时时NNUGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。1515第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PGSDUDSUGSNNUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压UGS(off)）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，间被夹断，这时，这时，即使即使UDS 0V，漏极漏极电流电流ID=0A。ID1616第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PGSDUDSUGSUGS0、UGD UGS(off)时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID1717第四节第四节 场效应三极管场效应三极管PGSDUDSUGSUGS UGS(off)且且UDS较大时较大时UGD UGS(off)时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID1818第四节第四节 场效应三极管场效应三极管GSDUDSUGSUGS UGS(off)UGD=UGS(off)时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为预夹断。预夹断。UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。ID1919第四节第四节 场效应三极管场效应三极管GSDUDSUGSUGS U UGS(thGS(th)时时时时形成导电沟道形成导电沟道形成导电沟道形成导电沟道V VGGGG导电沟道的形成导电沟道的形成导电沟道的形成导电沟道的形成假设假设假设假设u uDSDS =0=0，同时同时同时同时u uGSGS 0 0 靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，若增大若增大若增大若增大u uGSGS ，则耗尽层变宽。则耗尽层变宽。则耗尽层变宽。则耗尽层变宽。又称之为反型层又称之为反型层又称之为反型层又称之为反型层导电沟道随导电沟道随导电沟道随导电沟道随u uGSGS 增大而增宽。增大而增宽。增大而增宽。增大而增宽。下页下页上页上页首页首页2929第四节第四节 场效应三极管场效应三极管u uDSDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响对导电沟道的影响对导电沟道的影响u uGSGS为某一个大于为某一个大于为某一个大于为某一个大于U UGS(thGS(th)的固定值，的固定值，的固定值，的固定值，在漏极和源极之间加正电压，且在漏极和源极之间加正电压，且在漏极和源极之间加正电压，且在漏极和源极之间加正电压，且u uDSDS U UGS(thGS(th)则有电流则有电流则有电流则有电流i iD D 产生，产生，产生，产生，i iD D使导电沟道发生变化。使导电沟道发生变化。使导电沟道发生变化。使导电沟道发生变化。当当当当u uDSDS 增大到增大到增大到增大到u uDSDS=u uGSGS -U UGS(thGS(th)即即即即u uGDGD=u uGSGS-u uDSDS =U UGS(thGS(th)时，时，时，时，沟道被预夹断，沟道被预夹断，沟道被预夹断，沟道被预夹断，i iD D 饱和。饱和。饱和。饱和。P P型衬底型衬底型衬底型衬底N N+N N+s sg gd dB BV VGGGGN N型沟道型沟道型沟道型沟道V VDDDDu uDSDS对导电沟道的对导电沟道的对导电沟道的对导电沟道的影响影响影响影响下页下页上页上页首页首页3030第四节第四节 场效应三极管场效应三极管 特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线I IDODOU UGS(thGS(th)2 2U UGS(th)GS(th)预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹可变可变可变可变电阻区电阻区电阻区电阻区恒流区恒流区恒流区恒流区i iD D/mA/mAu uDSDS/V/VO Ou uGSGS/V/Vi iD D/mA/mAO O当当当当u uGSGS U UGS(thGS(th)时时时时下页下页上页上页截止区截止区截止区截止区转移特性曲线可近似用以下公式表示：转移特性曲线可近似用以下公式表示：转移特性曲线可近似用以下公式表示：转移特性曲线可近似用以下公式表示：首页首页3131第四节第四节 场效应三极管场效应三极管3.N3.N沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS场效应管场效应管场效应管场效应管预先在二氧化硅中掺入大预先在二氧化硅中掺入大预先在二氧化硅中掺入大预先在二氧化硅中掺入大量的正离子，量的正离子，量的正离子，量的正离子，使使使使u uGSGS=0 =0 时，时，时，时，产生产生产生产生N N型导电沟道。型导电沟道。型导电沟道。型导电沟道。当当当当u uGSGS 0 0 时，沟道变宽，时，沟道变宽，时，沟道变宽，时，沟道变宽，i iD D 增大。增大。增大。增大。g gd ds sB B下页下页上页上页首页首页P P型衬底型衬底型衬底型衬底N N+N N+s sg gd dB BN N型沟道型沟道型沟道型沟道+动画动画3232第四节第四节 场效应三极管场效应三极管耗尽型：耗尽型：耗尽型：耗尽型：u uGSGS =0=0 时无导电沟道。时无导电沟道。时无导电沟道。时无导电沟道。增强型：增强型：增强型：增强型：u uGSGS =0=0 时有导电沟道。时有导电沟道。时有导电沟道。时有导电沟道。特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线I IDSSDSSU UGS(offGS(off)预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹预夹断轨迹可变可变可变可变电阻区电阻区电阻区电阻区恒流区恒流区恒流区恒流区I IDSSDSSi iD D/mA/mAu uDSDS/V/VO Ou uGSGS=0=0-2-2-1-1+1+1+2+2u uGSGS/V/VO Oi iD D/mA/mA下页下页上页上页截止区截止区截止区截止区首页首页3333第四节第四节 场效应三极管场效应三极管四、四、场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.1.直流参数直流参数直流参数直流参数 饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流 I IDSSDSS是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当它的定义是当它的定义是当它的定义是当栅源之间的电压栅源之间的电压栅源之间的电压栅源之间的电压u uGSGS等于零，等于零，等于零，等于零，而漏源之间的电压而漏源之间的电压而漏源之间的电压而漏源之间的电压u uDSDS大于夹断电压时对应的漏极电流。大于夹断电压时对应的漏极电流。大于夹断电压时对应的漏极电流。大于夹断电压时对应的漏极电流。夹断电压夹断电压夹断电压夹断电压 U UGS(offGS(off)是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。是耗尽型场效应管的一个重要参数。其定义是当其定义是当其定义是当其定义是当u uDSDS一定时，一定时，一定时，一定时，使使使使i iD D减小到某一个微小电流时所需的减小到某一个微小电流时所需的减小到某一个微小电流时所需的减小到某一个微小电流时所需的u uGSGS值。值。值。值。下页下页上页上页首页首页3434第四节第四节 场效应三极管场效应三极管 开启电压开启电压开启电压开启电压 U UGS(thGS(th)U UGS(thGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。是增强型场效应管的一个重要参数。是增强型场效应管的一个重要参数。是增强型场效应管的一个重要参数。其定义是当其定义是当其定义是当其定义是当u uDSDS一定时，一定时，一定时，一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的使漏极电流达到某一数值时所需加的使漏极电流达到某一数值时所需加的使漏极电流达到某一数值时所需加的u uGSGS值。值。值。值。直流输入电阻直流输入电阻直流输入电阻直流输入电阻 R RGSGS栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的结型场效应管的结型场效应管的结型场效应管的R RGSGS一般在一般在一般在一般在10107 7以上，以上，以上，以上，绝缘栅场效应管的绝缘栅场效应管的绝缘栅场效应管的绝缘栅场效应管的R RGSGS更高，一般大于更高，一般大于更高，一般大于更高，一般大于10109 9。下页下页上页上页首页首页3535第四节第四节 场效应三极管场效应三极管2.2.交流参数交流参数交流参数交流参数 低频跨导低频跨导低频跨导低频跨导g gmm用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压u uGSGS对漏极电流对漏极电流对漏极电流对漏极电流i iD D的控制作用。的控制作用。的控制作用。的控制作用。极间电容极间电容极间电容极间电容 场效应管三个电极之间的等效电容，场效应管三个电极之间的等效电容，场效应管三个电极之间的等效电容，场效应管三个电极之间的等效电容，包括包括包括包括C CGSGS 、C CGDGD和和和和C CDSDS 。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。下页下页上页上页首页首页3636第四节第四节 场效应三极管场效应三极管3.3.极限参数极限参数极限参数极限参数 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率P PDMDM漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即即即即p pD D=i iD D u uDSDS。漏源击穿电压漏源击穿电压漏源击穿电压漏源击穿电压U U（BR)DSBR)DS在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流i iD D急剧上急剧上急剧上急剧上升产生雪崩击穿时的升产生雪崩击穿时的升产生雪崩击穿时的升产生雪崩击穿时的u uDSDS 。栅源击穿电压栅源击穿电压栅源击穿电压栅源击穿电压U U（BRBR）GSGS下页下页上页上页首页首页3737第四节第四节 场效应三极管场效应三极管五、场效应管与晶体管的比较五、场效应管与晶体管的比较1.晶体管是流控元件晶体管是流控元件,场效应管是压控元件场效应管是压控元件,栅极栅极不取电流，但放大倍数较低。不取电流，但放大倍数较低。2.场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。3.场效应管噪声系数小。场效应管噪声系数小。4.场效应管漏、源极可以互换。场效应管漏、源极可以互换。6.场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压范围宽，应用更广泛。范围宽，应用更广泛。3838第四节第四节 场效应三极管场效应三极管上页上页首页首页课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习