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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1.4.1 结型场效应管的结构和工作原理,1.4.2 绝缘栅场效应管的结构和工作原理,第1章 常用半导体器件,1.4 场效应管,10/16/2024,作业,1-14,1-15,1-16,10/16/2024,场效应管出现的历史背景,场效应管的用途,场效应管的学习方法,场效应管的分类,第一节,场效应管概述,10/16/2024,场效应管出现的历史背景,1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三极管不同。,10/16/2024,场效应管的用途,场效应管又叫做单极型三极管，共有三种用途：,一是当作电压控制器件用来组成放大电路；,二是在数字电路中用做开关元件。,三是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用；,双极型三极管只有两种用途：,一是当作电流控制器件用来组成放大电路；,二是在数字电路中用做开关元件。,10/16/2024,场效应管的学习方法,学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。,场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。,场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。,场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。,10/16/2024,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,场效应管,FET,结型,JFET,IGFET,( MOSFET ),绝缘栅型,场效应管的分类,10/16/2024,一、结型场效应管的结构,二、结型场效应管的工作原理,三、结型场效应管的特性曲线,及参数,第二节,结型场效应管(JFET)的结构和工作原理,10/16/2024,一、结型,场效应管（JFET)结构,P,+,P,+,N,G,S,D,导电沟道,N,+,N,+,P,G,S,D,N沟道,JFET,P沟道,JFET,栅极,漏极,源极,10/16/2024,二、结型,场效应管（JFET)的工作原理,参考方向做如下约定:,10/16/2024,（1）电压源,U,GS,和电压源,U,DS,都不起作用，电压值均为0；,（2）只有电压源,U,GS,起作用，电压源,U,DS,的电压值为0；,（3）只有电压源,U,DS,起作用，电压源,U,GS,的电压值为0；,（4）电压源,U,GS,和电压源,U,DS,同时起作用。,在给出各种情况下的结型场效应管的工作状态时，同时画出对应的输出特性曲线。,特别注意,:,电压参考方向和电流参考方向的约定方法。,参考方向可以任意约定,不同的约定方法得到不同样式的特性曲线.书上的特性曲线是按前面的方法来约定参考方向的。,按照如下的思路来讲解：,10/16/2024,（1）,U,DS,=0伏、,U,GS,= 0伏时JFET的工作状态,导电沟道从漏极到源极平行等宽。,最宽,这时导电沟道的电阻记为,R,1,。,10/16/2024,（2） 在,U,DS,=0伏的前提下：,U,GS,从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态,（2.1）,U,DS,=0,伏：,U,GS,逐渐增加,U,GS,= -1,伏,此时导电沟道从漏极到源极平行等宽,这时的导电沟道的电阻用,R,2,表示。,R,2,要大于,R,1,U,GS,给PN结施加的是一个反偏电压,10/16/2024,（2.2),U,DS,=0,伏:,U,GS,逐渐增加至,U,GS,=,U,p,（夹断电压）,当,U,GS,逐渐增加至,U,GS,=,U,p,时（不妨取,U,p,= -3伏），由,U,GS,产生的PN结左右相接，使导电沟道完全被夹断。这时的结型场效应管处于截止状态。,U,p,是结型场效应管的一个参数，称为夹断电压。,10/16/2024,（2.3）,U,DS,=0伏:,U,GS,继续增加，结型场效应管进入击穿状态,U,GS,增加使PN结上的反偏电压超过,U,（BR）DS,时，结型场效应管将进入击穿状态。,10/16/2024,（3） 在,U,GS,=0伏的前提下，分别讨论,U,DS,由小变大的过程中JFET的几种工作状态,（3.1 ）,U,GS,=0,伏:,U,DS,的值比较小时,U,DS,给PN结施加的是一个反偏电压,10/16/2024,导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。当,U,DS,比较小时,，导电沟道不会被夹断。,在导电沟道没有被夹断之前，可以近似地认为导电沟道的电阻均为,R,1,，此时导电沟道可以认为是一个线性电阻。,10/16/2024,（3.2),U,GS,=0,伏、,U,DS,的值增加至,U,p,时,PN结在靠近漏极的一点最先相接，导电沟道被,预夹断,。对应输出特性曲线中的A点。此时沟道中的电流为可能的最大的电流，称为饱和漏极电流，记作,I,DSS,。,10/16/2024,（3.3),U,GS,=0,伏、,U,DS,继续增加,10/16/2024,当电压源,U,DS,增加时，可以近似认为漏极电流不随,U,DS,的增加而增加。此时的电流仍然是,I,DSS,，JFET管的状态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。,此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。,10/16/2024,（3.4),U,GS,=0,伏、,U,DS,继续增加至,U,（,BR,）,DS,PN结上的反偏电压超过某值时，结型场效应管将进入击穿状态，如图中的B点所示。此时的,U,DS,值为最大漏源电压，记为,U,（BR）DS,。,10/16/2024,(4) 在,U,GS,= -1伏（即,U,GS,U,p,的某个值）的前提下 ， 当,U,DS,由小变大时，JFET的状态,(4.1),U,GS,= -1伏、,U,DS,的值比较小时,导电沟道不再是上下平行等宽，而是上窄下宽。近似地认为导电沟道的电阻均为,R,2,，导电沟道呈现线性电阻的性质。,10/16/2024,(4.2),U,GS,= -1,伏、,U,DS,的值增加至某值开始出现预夹断,如图所示，当,U,DS,的值增加至某值（此值比,U,p,小）时，两边的PN结在靠近漏极的某点最先相接，导电沟道被预夹断,在此点有,U,GS,+,U,DS,=,U,p,。JFET的状态对应输出特性曲线中的M点。M点对应的,U,DS,值比A点对应的,U,DS,值小，因为,U,DS,=,U,p,-,U,GS,V,T,时, 沟道加厚,开始时无导电沟道，当在,V,GS,V,T,时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,10/16/2024,（3）只有电压源,V,DS,起作用，电压源,V,GS,的电压值为大于开启电压的某值,（3.1）,电压源,V,DS,的值较小,导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时的一样。对应特性曲线的可变电阻区,电压源,V,DS,的作用使导电沟道有电流流通，电流的流通使导电沟道从漏极到源极有电位降,10/16/2024,（3）只有电压源,V,DS,起作用，电压源,V,GS,的电压值为0,（3.2）,电压源,V,DS,的值,增加,使,V,GD,=,V,GS,V,DS,=,V,T,导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。,此时的漏极电流,I,D,基本饱和。,v,DS,(V),i,D,(,mA,),10/16/2024,（3.3）,电压源,V,DS,的值,增加,使,V,GD,=,V,GS,V,DS,V,T,导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，,V,DS,增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，,I,D,基本趋于不变。,v,DS,(V),i,D,(,mA,),10/16/2024,三、N沟道,增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,i,D,=,f,(,v,GS,),v,DS,=C,转移特性曲线,i,D,=,f,(,v,DS,),v,GS,=C,输出特性曲线,v,DS,(V),i,D,(,mA,),当v,GS,变化时，R,ON,将随之变化，因此称之为,可变电阻区,恒流区(饱和区)：,v,GS,一定时，i,D,基本不随v,DS,变化而变化。,v,GS,/V,10/16/2024,三、 耗尽型MOS场效应管,一,N沟道,耗尽,型MOS场效应管结构,二,N沟道,耗尽,型MOS的工作原理,三,N沟道,耗尽,型MOS场效应管特性曲线,10/16/2024,一、N沟道,耗尽型MOS场效应管结构,10/16/2024,P沟道,耗尽型MOS场效应管结构,10/16/2024,二、N沟道,耗尽型MOS场效应管工作原理,当V,GS,=0时，V,DS,加正向电压，产生漏极电流i,D,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用I,DSS,表示。,当,V,GS,0时,将使,i,D,进一步增加。,当,V,GS,0时，随着,V,GS,的减小漏极电流逐渐减小，直至,i,D,=0，对应,i,D,=0的,V,GS,称为夹断电压，用符号,V,P,表示。,V,GS,(V),i,D,(mA),V,P,N沟道,耗尽型MOS管可工作在,V,GS,0或,V,GS,0,N沟道,增强型MOS管只能工作在,V,GS,0,10/16/2024,三、N沟道,耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,V,GS,(V),i,D,(mA),V,P,转移特性曲线,10/16/2024,场效应管的主要参数,2. 夹断电压,V,P,：是耗尽型FET的参数，当,V,GS,=,V,P,时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管当,V,GS,=0时所对应的漏极电流。,1. 开启电压,V,T,：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4. 直流输入电阻,R,GS,:栅源间所加的恒定电压V,GS,与流过栅极电流I,GS,之比。结型:大于10,7,，绝缘栅:10,9,10,15,。,5. 漏源击穿电压V,(BR)DS,: 使I,D,开始剧增时的V,DS,。,6.栅源击穿电压V,(BR),GS,JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压,MOS：使SiO,2,绝缘层击穿的电压,10/16/2024,7. 低频跨导,g,m,：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,8. 输出电阻,r,ds,9. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容,Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容,10/16/2024,
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