电子技术场效应管课件

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,9/22/2023,电子技术基础,第3章,第3章 场效应管及其放大电路,3.1,绝缘栅型场效应管,3.2,场效应管放大电路,场效应管（Field Effect Transistor),第3章 场效应管及其放大电路3.1 绝缘栅型场效应管3,3.,掌握,场效应管的伏安特性及主要参数；,本章要求：,1.,了解,场效应管的结构与类型；,2.,理解,场效应管的工作原理；,4.,掌握,场效应管放大电路的分析。,3.掌握场效应管的伏安特性及主要参数；本章要求：1.,场效应管的特点,1.它是利用改变外加,电压,产生的,电场强度,来控制其导电能力的半导体器件。,2.它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，,3.还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。,4.在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,场效应管的特点,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,FET,场效应管,JFET,结型,MOSFET,绝缘栅型,(IGFET),分类：,3.1 场效应晶体管(FET）,N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）F,源极,，,用S或s表示,N型导电沟道,漏极,，,用D或d表示,P型区,P型区,栅极,，,用G或g表示,栅极,，,用G或g表示,符号,符号,#,符号中的箭头方向表示什么？,3.1.1 结型场效应晶体管JFET,源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示 P型区P,结型场效应管的结构如图所示。,在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。,夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。,图所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效应管。,夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。,场效应管的三个电极与三极管的三个电极的对应关系,栅极g-基极b 源极s-发射极e 漏极d-集电极c,1.P 沟道和N沟道结构及电路符号,P,沟,道,G门极,D漏极,S源极,g,d,s,P沟道结构及电路符号,N,沟,道,G门极,D漏极,S源极,g,d,s,N沟道结构及电路符号,场效应管的三个电极与三极管的三个电极的对应关系1.P,2.工作等效（以P沟道为例）,U,gs,I,s,I,d,(1）,PN结不加,反向,电压（Ugs)或加的电压不足以使,沟道闭合,时。沟道导通，电阻很小，并且,阻值,随沟道的,截面,积减少,而,增大,。,称,可变电阻区 ；,I,D,=U,Ds,/R,Ds,R,DS,P,N,N,G,I,D,I,S,=I,D,PN,结,PN,结,+,+,-,U,GS,增大耗尽层加厚。,U,GS,=0：,I,D,=I,DSS,电路图,等效图,2.工作等效（以P沟道为例）UgsIsId(1）PN结不加反,(2)恒流工作（电压控制电流源）,G,I,D,+,R,D,V,DD,D,S,PN结加,反向,电压（Ugs)使,沟道,微,闭合,时电流I,D,与U,DS,无关，,称,恒流区。,I,D,=I,DSS,（,1,-）,2,u,gs,v,P,P,N,N,G,I,D,I,S,=I,D,PN,结,PN,结,+,+,-,耗尽层闭合时,U,GS,=V,P,R,D,V,DD,U,GS,电路图 等效图,(2)恒流工作（电压控制电流源）GID+RDVDDDSPN结,(3)截止工作,P,N,N,G,I,D,=0,I,S,=I,D,PN,结,PN,结,+,+,-,R,D,V,DD,U,GS,耗尽层,完全闭合，沟道夹断，电子过不去,栅极电压U,GS,大于等,夹断电压U,P,时，I,D,=0,相当一个很大的电阻,(3)截止工作NNGID=0IS=IDPNPN+-RDVD,3.JFET的主要参数,1）夹断电压V,P,:手册给出是I,D,为一微小值时的V,GS,2）饱和漏极电流I,DSS;,V,GS,=0，时的I,D,u,ds,i,d,vgs=常数,v,gs,i,d,Uds=常数,u,GS,i,d,5)极限参数：,V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。,V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。,PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。,3)、电压控制电流系数g,m,=,4,）交流输出,电阻 r,ds,=,3.JFET的主要参数1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微,4.特性曲线：,与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以,N,型JFET为例：,0,u,gs,(v),-4 -3 -2 -1,i,d,mA,5,4,3,2,1,V,P,I,DSS,N型JFET的转移曲线,可变电阻区,截止区I,B,0,U,DS,=U,GS,-V,P,N型JFET的,输出特性曲线,（V）,U,DS,-4V,-2.0V,-1V,U,GS,=0,V,ma,I,D,放,大,区,0,击,穿,区,4.特性曲线：与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，,i,D,受,v,GS,控制,预夹断前,i,D,与,v,DS,呈近似线性关系；预夹断后，,i,D,趋于饱和。,#,为什么,JFET,的输入电阻比,BJT,高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此,i,G,0，输入电阻很高。,综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，,Sect,增强型MOSFET,耗尽型MOSFET,3.1.2 绝缘栅型场效应管 MOSFET,Sect增强型MOSFET耗尽型MOSFET3.1.2 绝缘,1.N沟道,增强型MOS场效应管结构,漏极D集电极C,源极S,发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属,绝缘层氧化物,基体半导体,因此称之为MOS管,Sect,1.N沟道增强型MOS场效应管结构漏极D集电极C源极S栅极,当,U,GS,较小,时，虽然在P型衬底表面形成一层,耗尽层,，但负离子不能导电。,当,U,GS,=U,T,时,在P型衬底表面形成一层,电子层,，形成N型导电沟道，在U,DS,的作用下形成I,D。,U,DS,I,D,+,+,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,U,GS,反型层,当,U,GS,=0V,时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论U,DS,之间加上电压不会在D、S间形成电流I,D,即I,D,0.,当,U,GS,U,T,时,沟道加厚，沟道电阻减少，,在相同U,DS,的作用下，I,D,将进一步增加,开始无导电沟道，当在U,GS,U,T,时才形成沟道,这种类型的管子称为,增强型MOS管,Sect,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不,增强型MOS管,U,DS,一定时，U,GS,对漏极电流I,D,的控制关系曲线,I,D,=,f,(,U,GS,),U,DS,=C,(1)转移特性曲线,U,DS,U,GS,-U,T,U,GS,(V),I,D,(mA),U,T,在恒流区，I,D,与U,GS,的关系为,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,沟道较短时，应考虑UDS对,沟道长度的调节作用：,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,（1+,U,DS,),K导电因子（mA/V,2,),沟道调制长度系数,n,沟道内电子的表面迁移率,C,OX,单位面积栅氧化层电容,W沟道宽度,L沟道长度,S,n,沟道长宽比,K本征导电因子,Sect,2.特性曲线(以N沟道为例),增强型MOS管UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲,U,GS,一定时，I,D,与U,DS,的变化曲线，是一族曲线,(2)输出特性曲线,I,D,与U,DS,的关系近线性,I,D,2K(U,GS,-U,T,)U,DS,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=3V,U,GS,=U,T,=3V,U,GS,(V),I,D,(,mA,),I,D,=,f,(,U,DS,),U,GS=C,可变电阻区,：,当U,GS,变化时，R,ON,将随之变化,因此称之为,可变电阻区,UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线(2),恒流区,：,该区内，U,GS,一定，I,D,基本不随U,DS,变化而变,击穿区,：,U,DS,增加到某一值时，I,D,开始剧增而出现击穿。,当U,DS,增加到某一临界值时，I,D,开始剧增时U,DS,称为漏源击穿电压。,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=3V,U,GS,=U,T,=3V,U,GS,(V),I,D,(,mA,),Sect,当U,GS,一定时，R,ON,近似为一常数,因此又称之为,恒阻区,恒流区：击穿区：UGS=6VUGS=4VUGS=5V,漏源电压,U,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,U,DS,=,U,DG,U,GS,=,U,GD,U,GS,U,GD,=,U,GS,U,DS,当,U,DS,为0或较小时，,相当,U,GD,U,T,，,此时,U,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在U,DS,作用下形成I,D,Sect,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用UDS=UDG,Sect,基础知识,当,U,DS,增加到使,U,GD,=,U,T,时，,当,U,DS,增加到,U,GD,U,T,时，,增强型MOS管,漏源电压,U,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,这相当于,U,DS,增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为,预夹断,。此时的,漏极电流,I,D,基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向S极。,U,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。,Sect基础知识 当UDS增加到使UGD=UT时,MOS,管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMOS管,U,BS,加一负压,PMOS管,U,BS,加一正压,处理原则：,处理方法：,Sect,MOS管衬底的处理保证两个PN结反偏，源极沟道漏,2.耗尽型MOS管,+,耗尽型MOS管存在,原始导电沟道,Sect,结构,2.耗尽型MOS管+,N沟道,耗尽型MOS场效应管工作原理,当,U,GS,=0,时，U,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,U,GS,0,时，将使,I,D,进一步增加,。,当,U,GS,0,时，随着,U,GS,的减小漏极电流逐渐,减小,。直至,I,D,=0,。对应,I,D,=0的,U,GS,称为夹断电压，用符号,U,P,表示,。,N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当UGS=0时，UDS,U,GS,(V),I,D,(mA),N沟道,耗尽型MOS场效应管特性曲线,转移特性曲线,在恒流区，I,D,与U,GS,的关系为,I,D,K(U,GS,-U,P,),2,沟道较短时，,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,（1+,U,DS,),I,D,I,DSS,(1-U,GS,/U,P,),2,常用关系式：,Sect,UGS(V)ID(mA)N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲,输出特性曲线,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=1V,U,GS,=0V,U,GS,=-1V,U,GS,(V),I,D,(,mA,),N沟道,耗尽型MOS管可工作在,U,GS,0或,U,GS,0,N沟道,增强型MOS管只能工作在,U,GS,0,输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0V,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N,沟,道,增,强,型,P,沟,道,增,强,型,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管NP,绝缘栅场效应管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,Sect,绝缘栅场效应管 NP Sect,Sect,3.