实用模拟电子技术教程第3章电子.ppt

实用模拟电子技术教程 主编 徐正惠 副主编 刘希真张小冰 第一篇常用半导体器件介绍常用半导体器件 包括晶体二极管 晶体三极管 场效应管和其他半导体器件的结构 工作原理 分类 主要性能指标 国家标准规定的命名方法以及主要应用 第3章半导体场效应管学习要求 了解场效应管的分类 掌握结型场效应管的结构 输出特性曲线可变电阻区 恒流区和夹断区的划分以及夹断电压 饱和漏极电流和跨导等主要参数的定义 掌握N沟道增强型绝缘栅场效应管输出特性曲线三个区域的划分和开启电压 跨导等主要参数的定义 了解上述两种场效应管漏极电流和栅 漏极电压之间的关系 学会根据栅极电压及夹断电压 开启电压 求解漏极电流的方法 第一篇常用半导体器件 场效应管分为两大类 3 1场效应管的分类 结型场效应管 简称JFET 是英文JunctiontypeFieldEffectTransistor的缩写 绝缘栅型场效应管 由金属 氧化物 二氧化硅 半导体组成 这些材料的英文是Metal Oxide Semiconductor 其缩写为MOS 因此 绝缘栅型场效应管也称MOS管 按照工作方式的不同 结型场效应管和绝缘栅型场效应管又分为 沟道和 沟道两类 沟道和 沟道绝缘栅型场效应管又有增强型和耗尽型之分 1975年以后 又开发了垂直导电型的MOS管 称为VMOS管 因此 场效应管的分类可以用下面的图表示 3 1场效应管的分类 1 结构 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 结型场效应管分N沟道和P沟道两种 右图是N沟道结型场效应管的结构示意图 结构特点 有两个PN结 图中划斜线的部分为两个PN结的空间电荷区 耗尽层 两个空间电荷区之间为N型区 称为N沟道 两个P型区引出电极并连接在一起 称为栅极G N型半导体的两端各引出一个电极 分别称为漏极D和源极S 2 空间电荷区的两个性质 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 讨论结型场效应管工作原理之前 首先复习PN结空间电荷区的两个重要性质 1 空间电荷区内没有可自由移动的电荷 因此不能导电 2 空间电荷区的宽度会随PN结两端所加电压的大小而变化 3 场效应管工作原理 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 首先讨论栅极开路时的情况 在场效应管漏极D和源极S之间加上正电压VDD 由于空间电荷区没有可以移动的电荷 电流仅在N型区流动 因此将N型区称为导电沟道 栅极开路情况下 整个场效应管相当于一个电阻 这一电阻的大小就决定于N区 导电沟道 的宽度 3 场效应管工作原理 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 栅极加上负电压时 两个PN结反向偏置 根据前面所说的PN结性质 两个PN结的空间电荷区便会扩大 图 b 虚线画出了扩大后的空间电荷区 空间电荷区的扩大 缩小了导电沟道 增加了漏源之间的电阻 因此 在相同漏源极电压下 栅极加负压以后漏源极之间的电流就会减小 为什么空间电荷区的扩大是不均匀的 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 3 场效应管工作原理 3 2结型场效应管 3 2 1结型场效应管的结构和工作原理 可见 栅极电压可以控制漏源极之间的电阻 从而也就控制了漏源极之间的电流 场效应管因此就具有栅极电压 输入电压 控制漏极电流 输出电流 的重要功能 场效应管的共源极接法 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 结型场效应管应用时常接成图3 5所示的电路 栅极 源极组成输入回路 漏极 源极和电阻等组成输出回路 输入 输出共用源极 因此称为共源极接法 共源极接法时场效应管的输出特性 共源极接法时 场效应管的输出特性是指各种不同栅极电压UGS时 漏极电流ID和漏 源极电压UDS之间的关系 特性曲线识读 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 1 截止区 栅极电压负向达到一定的程度 导电沟道被夹断 这时漏极电流趋于零 对应于沟道夹断的栅极电压 称为夹断电压 用符号UGS off 表示 注意N沟道结型场效应管的UGS off 是一个负数 满足关系 的区域称为截止区 图中输出特性曲线UGS off 5V下面的区域即为夹断区 特性曲线识读 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 2 可变电阻区 图中虚线和坐标纵轴围成的区域称为可变电阻区 可变电阻区的栅极电压和漏源电压满足以下关系 即栅极电压在零和夹断电压之间 漏源电压小于栅极电压与夹断电压之差 图中每条特性曲线上的十字交叉点为栅极电压等于夹断电压绝对值和栅极电压绝对值之差的点 他们是可变电阻区的边界点 将它们连起来 即为可变电阻区的边界线 特性曲线识读 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 2 可变电阻区 可变电阻区的特点是 漏源电阻不仅随栅极电压变化 而且也随漏源极间电压UDS的变化而发生显著的变化 因此 漏极电流不仅与栅极电压有关 也随漏源极电压UDS变化 例如 沿着栅极电压等于 1 0V的曲线 漏源极电压从0增加到4V 漏极电流从0变化到19mA 可变电阻区 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 3 恒流区 图中虚线右边 截止区以上的部分为饱和区 也称恒流区 这个区域的特征是漏极电流ID只决定于栅极电压 基本上不随漏源极电压UDS的变化而变化 恒流特性 例如 栅极电压等于 1 0V的曲线 在恒流区范围内 漏源电压从4V增加到10V 漏极电流只变化2mA左右 可变电阻区 漏极电流ID和栅极电压UGS之间有如下近似关系 3 2结型场效应管 3 2 2结型场效应管特性曲线识读 4 击穿区 不管栅极电压多大 当漏源电压uDS增大到一定程度时 漏极电流急剧增加 管子被击穿 这个区域称为击穿区 场效应管的恒流区相当于晶体三极管的放大区 和三极管的情况类似 场效应管工作于恒流区时 栅极电压才表现出对于漏极电流的调节控制作用 可变电阻区 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 1 极限参数 1 最大漏极电流IDMIDM是管子正常工作时漏极电流的最大值 2 击穿电压常用的击穿电压有两个参数 使漏源电流急剧上升时的电压 称为漏源极击穿电压 用符号U BR DS表示 栅源极之间PN结反向击穿电压即为栅源极击穿电压 用符号U BR GS表示 J210的栅源击穿电压为 25V 3 最大漏极耗散功率PDM即管子保持正常工作所允许的漏极最大功率 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 2 夹断电压UGS off 是UDS为常数的情况下 使iD大于零所需的最小栅 源极电压 厂家手册给出的是iD为某一规定微小电流值 例如5 A 时的栅极电压 3 饱和漏极电流IDSS即为UGS 0时的电流 4 低频跨导gm漏 源电压UDS保持不变的情况下 漏极电流变化量 ID和引起这个变化的栅 源电压变化量 UGS之比称为跨导gm 即 这个量反映了栅 源极电压对于漏极电流的控制作用 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 低频跨导gm讨论 根据跨导的定义 可求得漏 源电压UDS保持不变的情况下栅 源极电压增加 uGS时 漏极电流相应增加量 iD 上式说明 一只管子的跨导越大 单位栅 源极电压变化引起的漏极电流的变化就越大 跨导gm和三极管电流放大倍数 一样都反映半导体器件输入量控制输出量的能力 只不过 反映的是基极电流控制输出端集电极电流的能力 而gm反映的是栅极电压控制输出端漏极电流的能力 是无量纲量 gm的单位是安培 伏特 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 低频跨导gm讨论 如果栅 源极电压和漏极电流的增加量部分是正弦波信号 则低频跨导可以表示为 式中Id漏极电流交流成分的有效值 即漏极电流的增加量部分 Ugs为栅 源极电压交流成分的有效值 即栅 源极电压的增加量部分 在以后的讨论中我们将应用增加量是正弦波时的公式 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 例3 1 由结型场效应管组成的电路如图3 7所示 结型场效应管的夹断电压UGS off 2V 漏极饱和电流IDSS 2mA 漏极加正压VDD 栅极加负电压 由电压VGG经电位器RP分压形成 转动电位器RP的活动端 可对其数值进行调节 试求 1 栅极电压UGS 0 5V时的漏极电流ID1 2 栅极电压UGS 0 7V时的漏极电流ID2 3 场效应管的跨导gm等于多少 解 将UGS off 2V IDSS 2mA代入公式 3 3 即可求得漏极电流ID1和ID2等于 3 2结型场效应管 3 2 3结型场效应管的主要参数 例3 1 由结型场效应管组成的电路如图3 7所示 结型场效应管的夹断电压UGS off 2V 漏极饱和电流IDSS 2mA 漏极加正压VDD 栅极加负电压 由电压VGG经电位器RP分压形成 转动电位器RP的活动端 可对其数值进行调节 试求 3 场效应管的跨导gm等于多少 解 跨导等于漏极电流差 ID2 ID1 除以栅极电压差 UGS2 UGS2 这一结果表明 栅极电压1V的变化 将引起漏极电流1 4mA的变化 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 绝缘栅场效应管中 我们限于介绍常用的N沟道增强型场效应管和垂直导电型场效应管 首先介绍N沟道增强型场效应管 3 3 1N沟道增强型场效应管的结构和工作原理 1 结构 电路符号 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 1结构和工作原理 2 工作原理 栅极与源极之间不加电压时 漏极与源极之间是两只背向连接的PN结 电流无法通过 即使在漏 源之间加电压 也不会有漏极电流 如果在栅极与源极之间加上正电压 栅极为正 同时将漏极与源极短接 即UDS 0 这时栅极电流仍然为零 但在漏源极之间形成反型层 反型层中的电子可以自由移动 于是就成为漏极和源极之间的导电沟道 反型层 形成反型层后给D S极之间加上电压 两极之间就有电流通过 电流的大小决定反型层中电子的数量 而这一电子数量受栅极电压控制 因此 栅极的电压就实现了对漏 源极间电流的控制 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 2特性曲线识读 N沟道增强型场效应管2SK3019的输出特性曲线识读 1 漏极电流表达式不同N沟道增强型场效应管 恒流区中漏极电流iD与栅极电压uGS之间的关系近似为 与结型场效应管相比较 N沟道增强型场效应管有以下三点不同之处 上式UGS th 是导电沟道刚刚形成时的栅 源极电压 称为开启电压 IDO是栅 源极间电压等于二倍开启电压时的漏极电流 即 时的漏极电流 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 2特性曲线识读 截止区 UGSUGS th 而且0UGS th 而且UDS UGS UGS th 结型场效应管几个区的划分标准中的夹断电压UGS off 应更换为开启电压UGS th 即修改为 3 工作于恒流区时 栅极电压极性不同结型场效应管工作时 栅极为负压 N沟道增强型场效应管 正常工作时 栅极电压为正 而且要大于开启电压UGS th 2 截止区 恒流区和可变电阻区的划分标准不同 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 3主要参数 2 击穿电压常用的击穿电压有两个参数 使漏源电流急剧上升时的电压 称为漏源极击穿电压 用符号U BR DS表示 使绝缘层击穿的电压 称为栅源极击穿电压 用符号U BR GS表示 结型场效应管 栅源击穿电压U BR GS表示的是栅源极PN结的反向击穿电压 1 最大漏极电流IDMIDM的定义和结型场效应管的相同 是管子正常工作时漏极电流的最大值 3 最大漏极耗散功率PDM定义和结型场效应管相同 是管子保持正常工作所允许的漏极最大功率 1 极限参数 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 3主要参数 3 漏极电流IDO是栅 源极电压等于2倍开启电压 UGS 2UGS th 时的漏极电流 是UDS为常数的情况下 使iD大于零所需的最小栅 源极电压 厂家手册给出的是iD为某一规定微小电流值 如5 A 时的栅极电压 4 低频跨导gm漏 源电压UDS保持不变的情况下 漏极电流变化量 ID和引起这个变化的栅 源电压变化量 UGS之比称为跨导gm 即 2 开启电压UGS th 增加量部分是正弦波信号时 3 3N沟道增强型场绝缘栅效应管 3 3 3主要参数 将UGS 1 2V UGS th 1V IDO 2 5mA代入上式 即可求得UGS 1 2V时的漏极电流为ID1 解 截止区 漏极电流等于零 恒流区 漏极电流的表达式为 例3 2 已知N沟道增强型绝缘栅场效应管的开启电压UGS th 1V 漏极电流IDO 2 5mA 1 给出截止区及恒流区漏极电流的表达式 2 计算栅极电压UGS 1 2V时的漏极电流ID1 3 4VMOS场效应管 它以高掺杂的N 型硅衬底为漏极D P型区和N 型区都是环状的 所引出的电极为源极S 用酸腐蚀掉图中虚线划出的部分 形成V型槽 在V型槽上生长一层绝缘层 SiO2层 再覆盖一层金属 引出电极作为栅极G 1 VMOS管的结构 VMOS场效应管是垂直导电型功率场效应管的简称 VMOS管既具有MOS结构的优点 又有很高的输出功率 其输出电流可以达到几千安培 是当前应用十分广泛的功率场效应管之一 3 4VMOS场效应管 与N沟道增强型MOS管的情况类似 在栅极 源极之间加正电压 当这一电压UGS大于某一电压 称为开启电压UGS th 时 栅极带正电荷 排斥P区的空穴 并吸引电子 在P区靠近V型槽氧化层表面的地方会形成反型层为VMOS管的导电沟道 栅极电压通过导电沟道的调节控制漏极电流 于是就实现了栅极电压对于漏极电流的控制 2 工作原理 3 4VMOS场效应管 VMOS管从原理上看 也是利用栅极的正电压形成电子组成的反型层作为导电沟道 栅极电压通过导电沟道的调节控制漏极电流 这和N沟道增强型MOS管相同不同的是N沟道增强型MOS管的导电沟道沿着衬底的表面 是很薄的一层 因此通过的电流比较小 VMOS管的导电沟道沿垂直方向 能流过很大的电流 而且漏极从N 型衬底引出 散热面积大 便于安装散热器 其耗散功率最大可以达到几千瓦 VMOS管与N沟道增强型MOS管比较 3 4VMOS场效应管 注意其纵轴漏极电流iD的单位是安培 横轴漏 源极电压uDS也较高 达100伏 因此有较大的功率 3 特性曲线及主要参数 除了耗散功率大以外 VMOS管的另一个特点是 当漏极电流大于某个值 例如500mA 以后 iD与uDS基本呈线性关系 N沟道MOS管的特性曲线 其漏极电流iD与漏 源极电压uDS的关系是平方关系 VMOS管的主要参数有开启电压 漏源击穿电压 最大漏极耗散功率等 其定义和前面介绍的MOS管一样 第3章讲授到此结束谢谢大家