场效应管及其应用课件

第三章第三章 场效应管场效应管 场场效效应应管管（简简称称FETFET）是是利利用用输输入入电电压压产产生生的的电电场场效效应应来来控控制制输输出出电电流流的的，所所以以又又称称之之为为电电压压控控制制型型器器件件。它它工工作作时时只只有有一一种种载载流流子子（多多数数载载流流子子）参参与与导导电电，故故也也叫叫单单极极型型半半导导体体三三极极管管。因因它它具具有有很很高高的的输输入入电电阻阻，能能满满足足高高内内阻阻信信号号源源对对放放大大电电路路的的要要求求，所所以以是是较较理理想想的的前前置置输输入入级级器器件件。它它还还具具有有热热稳稳定定性性好好、功功耗耗低低、噪噪声声低低、制制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。根根据据结结构构不不同同，场场效效应应管管可可以以分分为为结结型型场场效效应应管管（JFETJFET）和和绝绝缘缘栅栅型型场场效效应应管管（IGFETIGFET）或或称称MOSMOS型型场场效效应应管管两两大大类类。根根据据场场效效应应管管制制造造工工艺艺和和材材料料的的不不同同，又又可可分为分为N N型沟道场效应管和型沟道场效应管和P P型沟道场效应管。型沟道场效应管。第三章 场效应管 场效应管（简称1 13.13.1结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管 1.1.结构和符号结构和符号结构和符号结构和符号11）结构）结构结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）结构示意图如图）结构示意图如图3.13.1（a a）所示。所示。3.1结型场效应管2 2图3.1N沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号;（c）外形图 图3.1 N沟道结型场效应管3 3图3.2P沟道结型场效应管（a）结构示意图;（b）图形符号 图3.2P 沟道结型场效应管4 42.2.工作原理工作原理工作原理工作原理 现现以以N N沟沟道道结结型型场场效效应应管管为为例例讨讨论论外外加加电电场场是是如如何来控制场效应管的电流的。何来控制场效应管的电流的。如如图图3.33.3所所示示，场场效效应应管管工工作作时时它它的的两两个个PNPN结结始始终终要要加加反反向向电电压压。对对于于N N沟沟道道，各各极极间间的的外外加加电电压压变变为为U UGSGS00，漏源之间加正向电压，即，漏源之间加正向电压，即U UDSDS0 0。当当G G、S S两两极极间间电电压压U UGSGS改改变变时时，沟沟道道两两侧侧耗耗尽尽层层的的宽宽度度也也随随着着改改变变，由由于于沟沟道道宽宽度度的的变变化化，导导致致沟沟道道电电阻阻值值的的改改变变，从从而而实实现现了了利利用用电电压压U UGSGS控控制制电电流流I ID D的的目目的。的。2.工作原理5 5图3.3场效应管的工作原理图3.3 场效应管的工作原理6 611）U UGSGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 当当U UGSGS时时，场场效效应应管管两两侧侧的的PNPN结结均均处处于于零零偏偏置置，形形成成两两个个耗耗尽尽层层,如如图图 3.43.4（）所所示示。此此时时耗耗尽尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。当当|U UGSGS|值值增增大大时时，栅栅源源之之间间反反偏偏电电压压增增大大，PNPN结结的的耗耗尽尽层层增增宽宽，如如图图3.43.4（b b）所所示示。导导致致导导电电沟沟道道变窄，沟道电阻增大。变窄，沟道电阻增大。当当|U UGSGS|值值增增大大到到使使两两侧侧耗耗尽尽层层相相遇遇时时，导导电电沟沟道道全全部部夹夹断断，如如图图3.43.4（c c）所所示示。沟沟道道电电阻阻趋趋于于无无穷穷大大。对对应应的的栅栅源源电电压压U UGSGS称称为为场场效效应应管管的的夹夹断断电电压压，用用U UGS(off)GS(off)来表示。来表示。1）UGS对导电沟道的影响7 7图3.43.4UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断 图3.4 UGS对导电沟道8 822）U UDSDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响 设设栅栅源源电电压压U UGSGS=0,=0,当当U UDSDS=0=0时时，I ID D=0=0，沟沟道道均均匀匀，如图如图3.43.4（a a）所示。）所示。当当U UDSDS增增加加时时，漏漏极极电电流流I ID D从从零零开开始始增增加加，I ID D流流过过导导电电沟沟道道时时，沿沿着着沟沟道道产产生生电电压压降降，使使沟沟道道各各点点电电位位不不再再相相等等，沟沟道道不不再再均均匀匀。靠靠近近源源极极端端的的耗耗尽尽层层最最窄窄，沟沟道道最最宽宽;靠靠近近漏漏极极端端的的电电位位最最高高，且且与与栅栅极极电电位位差差最最大大，因因而而耗耗尽尽层层最最宽宽，沟沟道道最最窄窄。由由图图1.351.35可可知知，U UDSDS的主要作用是形成漏极电流的主要作用是形成漏极电流I ID D。2）UDS对导电沟道的影响9 933）U UDSDS和和U UGSGS对沟道电阻和漏极电流的影响对沟道电阻和漏极电流的影响 设设在在漏漏源源间间加加有有电电压压U UDSDS，当当U UGSGS变变化化时时，沟沟道道中中的的电流电流I ID D将随沟道电阻的变化而将随沟道电阻的变化而变化。变化。当当U UGSGS=0=0时时，沟沟道道电电阻阻最最小小，电电流流I ID D最最大大。当当|U UGSGS|值值增增大大时时，耗耗尽尽层层变变宽宽，沟沟道道变变窄窄，沟沟道道电电阻阻变变大大，电电流流I ID D减小，直至沟道被耗尽层夹断，减小，直至沟道被耗尽层夹断，I ID D=0=0。当当00U UGSGS U UGS(off)GS(off)时时，沟沟道道电电流流I ID D在在零零和和最最大大值值之之间间变化。变化。改改变变栅栅源源电电压压U UGSGS的的大大小小，能能引引起起管管内内耗耗尽尽层层宽宽度度的变化，从而控制了漏极电流的变化，从而控制了漏极电流I ID D的大小。的大小。场场效效应应管管和和普普通通三三极极管管一一样样，可可以以看看作作是是受受控控的的电电流源，但它是一种电压控制的电流源。流源，但它是一种电压控制的电流源。3）UDS和UGS对沟道电阻和漏极10103.3.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线11）转移特性曲线）转移特性曲线 转转移移特特性性曲曲线线是是指指在在一一定定漏漏源源电电压压U UDSDS作作用用下下，栅极电压栅极电压U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线，即的控制关系曲线，即 图3.5为特性曲线测试电路。图3.6为转移特性曲线。从转移特性曲线可知，UGS对ID的控制作用如下：3.结型场效应管的特性曲线 1111图3.5场效应管特性测试电路 图31212图3.6转移特性曲线 图3.6 转移特性曲线1313 当当U UGSGS=0=0时时，导导电电沟沟道道最最宽宽、沟沟道道电电阻阻最最小小。所所以以当当U UDSDS为为某某一一定定值值时时，漏漏极极电电流流I ID D最最大大，称称为为饱饱和和漏漏极电流极电流,用用I IDSSDSS表示。表示。当当|U UGSGS|值值逐逐渐渐增增大大时时，PNPN结结上上的的反反向向电电压压也也逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层层不不断断加加宽宽，沟沟道道电电阻阻逐逐渐渐增增大大，漏漏极极电流电流I ID D逐渐减小。逐渐减小。当当U UGSGS=U UGS(off)GS(off)时，沟道全部夹断，时，沟道全部夹断，I ID D=0=0。当UGS=0时，导电沟道最宽、沟道电141422）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输输出出特特性性曲曲线线是是指指在在一一定定栅栅极极电电压压U UGSGS作作用用下下，I ID D与与U UDSDS之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即图3.7所示为结型场效应管的输出特性曲线，可分成以下几个工作区。2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）1515图3.7结型场效应管的输出特性曲线图3.7 结型场效应管的输出特性曲线1616 （1 1）可可变变电电阻阻区区。当当U UGSGS不不变变，U UDSDS由由零零逐逐渐渐增增加加且且较较小小时时，I ID D随随U UDSDS的的增增加加而而线线性性上上升升，场场效效应应管管导导电电沟沟道道畅畅通通。漏漏源源之之间间可可视视为为一一个个线线性性电电阻阻R RDSDS，这这个个电电阻阻在在U UDSDS较较小小时时，主主要要由由U UGSGS决决定定，所所以以此此时时沟沟道道电电阻阻值值近近似似不不变变。而而对对于于不不同同的的栅栅源源电电压压U UGSGS，则则有有不不同同的的电电阻值阻值R RDSDS，故称为可变电阻区。，故称为可变电阻区。（2 2）恒恒流流区区（或或线线性性放放大大区区）。图图1.291.29中中间间部部分分是是恒恒流流区区，在在此此区区域域I ID D不不随随U UDSDS的的增增加加而而增增加加，而而是是随随着着U UGSGS的的增增大大而而增增大大，输输出出特特性性曲曲线线近近似似平平行行于于U UDSDS轴轴，I ID D （1）可变电阻区。当UGS不变，UDS1717 受受U UGSGS的的控控制制，表表现现出出场场效效应应管管电电压压控控制制电电流流的的放放大大作用，场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。作用，场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。（3 3）夹夹断断区区。当当U UGSGS 00时时，栅栅极极与与衬衬底底之之间间产产生生了了一一个个垂垂直直于于半半导导体体表表面面、由由栅栅极极G G指指向向衬衬底底的的电电场场。这这个个电电场场的的作作用用是是排排斥斥P P型型衬衬底底中中的的空空穴穴而而吸吸引引电电子子到到表表面面层层，当当U UGSGS增增大大到到一一定定程程度度时时，绝绝缘缘体体和和P P型型衬衬底底的的交交界界面面附附近近积积累累了了较较多多的的电电子子，形形成成了了N N型型薄薄层层，称称为为N N型型反反型型层层。反反型型层层使使漏漏极极与与源源极极之之间间成成为为一一条条由由电电子子构构成成的的导导电电沟沟道道，当当加加上上漏漏源源电电压压U UGSGS之之后后，就就会会有有电电流流I ID D流流过过沟沟道道。通通常常将将刚刚刚刚出出现现漏漏极极电电流流I ID D时时所所对对应应的的栅栅源源电电压压称称为为开开启启电电压，用压，用U UGS(th)GS(th)表示。表示。当UGS0时，栅极与衬底之间产生了2525 当当U UGSGS U UGS(th)GS(th)时时，U UGSGS增增大大、电电场场增增强强、沟沟道道变变宽宽、沟沟道道电电阻阻减减小小、I ID D增增大大；反反之之，U UGSGS减减小小，沟沟道道变变窄窄，沟沟道道电电阻阻增增大大，I ID D减减小小。所所以以改改变变U UGSGS的的大大小小，就就可可以以控控制制沟沟道道电电阻阻的的大大小小，从从而而达达到到控控制制电电流流I ID D的的大大小小，随随着着U UGSGS的的增增强强，导导电电性性能能也也跟跟着着增增强强，故故称称之之为为增强型。增强型。必必须须强强调调，这这种种管管子子当当U UGSGS UGS(th)时，UGS增262633）特性曲线）特性曲线（1 1）转移特性曲线为）转移特性曲线为 由图3.103.10所示的转移特性曲线可见，当UGS00时时，垂垂直直电电场场增增强强，导导电电沟沟道道变变宽宽，电电流流I ID D增大。增大。当当U UGSGS0UG；对N沟道增强型管，UGS0，所以IDRSUG。2.分压式自偏压电路 4545图3.15分压式偏置电路 图3.15 分压式偏置电路 4646