场效应管MOS概要课件.ppt

1、 1.4 1.4 场效应管场效应管 BJT是一种是一种电流控制元件电流控制元件(iB iC)，工作时，多子和少子工作时，多子和少子都参与运行，所以被称为都参与运行，所以被称为双极型器件双极型器件。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor，FET）是是电压控制器件电压控制器件(uGS iD)，工作时，只有一种载流子参与导电：工作时，只有一种载流子参与导电：单极型器件单极型器件。FET因制造工艺简单，功耗小，温度特性好

2、，输入电阻极高因制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。等优点，得到了广泛应用。一、一、JFET的结构、符号、工作原理的结构、符号、工作原理#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？表示栅结正偏时，栅极电流方向是由栅极的表示栅结正偏时，栅极电流方向是由栅极的P P区指向区指向N N沟道。沟道。NP+P+DSG DG S DG SbcePN结结栅极栅极漏极漏极源极源极N沟道沟道JFET的的电路符号电路符号导电沟道导电沟道P沟道沟道JFETPN+N+DSe漏极漏极源极源极P沟道沟道JFET的的电路符号电路符号#FET和和BJT的电极对应关系：的电极对应关系

3、：G-b；D-c；S-e；#因因FET结构对称，漏极和源极可互换使用。（结构对称，漏极和源极可互换使用。（BJT不能）不能）注意：注意：JFET工作时，必须使栅极工作时，必须使栅极-沟道间的沟道间的PN结反偏。结反偏。因栅极因栅极沟道间的沟道间的PN结反偏结反偏，栅极电流栅极电流iG 0；栅极不取电流栅极不取电流。栅极输入阻抗高达栅极输入阻抗高达107 以上。以上。在在D-S间加一个正电压间加一个正电压uDS0,N沟道中的多子在电场作用下由沟道中的多子在电场作用下由S向向D漂移运动，形成漏极电流漂移运动，形成漏极电流iD，iDiGiD的的大小受大小受uGS的控制。的控制。下面主要讨论下面主要讨

4、论uGS对对iD的的控制作用以及控制作用以及uDS对对iD的影响。的影响。*FET的的“栅极不取电流栅极不取电流”这一点很重要，可给分析带来方便这一点很重要，可给分析带来方便FET三个电极的电流关系为：三个电极的电流关系为：iG 0；iD iS。;0 GSNuN沟道沟道JFET:;0 GSPuP沟道沟道JFET:只有一种载流子（多子）参与导电；只有一种载流子（多子）参与导电；（1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS，令，令uDS=0 当当uGS=0时，为一个平衡时，为一个平衡PN结，结，导电沟道最宽。导电沟道最宽。当当uGS时，时，PN结

5、反偏，耗尽层结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。当当uGS到一定值时到一定值时，沟道会完，沟道会完全合拢。全合拢。定义：定义：夹断电压夹断电压UGS(off)使导电沟道完全使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压合拢（消失）所需要的栅源电压uGS Ngds+pVGG+ppsd+gGGNV+pNGGg+sdpVp+（2）漏源电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS，令，令uGS=0 由于由于uGS=0，所以导电沟道最宽。所以导电沟道最宽。当当uDS=0时，时，iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠

6、近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，沟道变窄，呈楔形分布。呈楔形分布。当当uDS，使，使uGD=uG S-uDS=UGS(off)时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前，uDSiD。预夹断后，预夹断后，uDSiD 几乎不变。几乎不变。uDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。（3）栅源电压）栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同作用共同作用 iD=f（uGS、uDS），可用两组特性曲线描述），可用两组特性曲线描述Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsdidDDVp+p+sidgVdDDp+p+沟道预夹断后，沟道预夹断后，uDS 当当uDS较

7、小时较小时，由于沟道较宽，由于沟道较宽，iD随随uDS的增大成正比地增大；的增大成正比地增大；回顾：D、S间的电位梯度使导电沟道呈间的电位梯度使导电沟道呈楔形楔形；uDS|uGD|耗尽层耗尽层越宽越宽当当uGD=uGS-uDS=UGS(off)(负数负数)此时两耗尽层在此时两耗尽层在A点相遇，点相遇，为预夹断状态。为预夹断状态。（预夹断方程）（预夹断方程）夹断区长度夹断区长度 外电压的增量主要降落在夹断区上。外电压的增量主要降落在夹断区上。iD趋于饱和，不再随趋于饱和，不再随uDS的增加而上升的增加而上升。uDSiD0 UGD=UGS(off)BUDS IDSS饱和漏饱和漏极电流极电流uDS

8、BUDS，PN结击穿，结击穿，iD急剧增大。急剧增大。uGS=0改变的改变的uGS值，得到一簇特性曲线。值，得到一簇特性曲线。-2V-4V-6V即：即：uDS=uGS-UGS(off)JFET的输的输出特性曲线出特性曲线二、二、JFET的特性曲线的特性曲线uDSiDuGS=uDS1.输出特性曲线输出特性曲线 )(DSDufi 常常数数 GSu可变电阻区可变电阻区恒流区（饱和区、线性区）恒流区（饱和区、线性区）击穿区击穿区截止区（全夹断区）截止区（全夹断区）IDSS可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区UGS(off)沟道电阻受栅源电压控制。沟道电阻受栅源电压控制。JFET

9、作放大器件时应工作作放大器件时应工作在恒流区。在恒流区。DGSGSuDiDSuiD受受uGS控制，控制，iD基本不受基本不受uDS的影响。的影响。BUDSuGSuGS(off)在数字逻辑电路中在数字逻辑电路中FET工作在可变电阻区或截止区。工作在可变电阻区或截止区。;DSDDSuiu 较较小小，DGSGSuDiDSuuDSuGS=IDSS可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区iD uDS截止区截止区UGS(off)uGSuGS(off)P沟道沟道JFET的输出特性：的输出特性：0)(offGSu要求：要求：uGS 0;uDS 0电流由电流由S流向流向D N沟道沟道JFET各工作区的条件

10、各工作区的条件：0)(offGSu截止区截止区可变电阻区可变电阻区预夹断状态预夹断状态恒流区恒流区电源电源极性极性uGSuGD/uGS 0;uDS 0uGS uGS(off)uGS(off)uGS(off)uGD=uGS(off)uGDuGS(off)P沟道沟道JFET各工作区的条件各工作区的条件：0)(offGSu截止区截止区可变电阻区可变电阻区预夹断状态预夹断状态恒流区恒流区电源电源极性极性uGSuGD/uGS 0;uDS 0uGS uGS(off)0 uGS uGS(off)uGD=uGS(off)uGDuGS(off)例题例题：+8V-2V+8V-5V-8V;4)(VuNoffGS 截

11、止区截止区uGSuGS(off)uGD=-10V uGS(off)恒流区恒流区uGS2V;4)(VuPoffGS uGS5VuGS(off)uGSuGS(off)恒流区恒流区已知已知FET各极电各极电位，如何判断管位，如何判断管子的工作状态？子的工作状态？认清器件类型：认清器件类型：N N沟道沟道/P/P沟道沟道看看uGS与夹断电压与夹断电压uGS(0ff)的关系的关系看看uGD与夹断电压与夹断电压uGS(0ff)的关系的关系2.转移特性转移特性 )(GSDufi 常常数数 DSu2GS(off)GSDSSD)1(UuIi （FET工作在恒流区）工作在恒流区）表示漏源电压一定时，栅源电压表示漏

12、源电压一定时，栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用。的控制作用。曲线方程为：曲线方程为：mAi/D024641220DSuUGS=0V-1-2-3-4UGS(off)mAi/D-4-1-2-30GSu246转移特转移特性曲线性曲线IDSS1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管（IGFET）（a）增强型）增强型N沟道沟道MOSFET（b）增强型）增强型P沟道沟道MOSFET（c）耗尽型）耗尽型N沟道沟道MOSFET（c）耗尽型）耗尽型P沟道沟道MOSFET当当uGS=0时，没有导电沟道时，没有导电沟道当当uGS=0时，就存在导电沟道时，就存在导电沟道（a）（b）（c）（d）P

13、型衬底型衬底1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET一、结构、符号、工作原理一、结构、符号、工作原理N N+N N+GBSD在分立元件中，衬底一般与源极相接，封装后有三个电极。在分立元件中，衬底一般与源极相接，封装后有三个电极。箭头方向表示由箭头方向表示由P型型衬底指向衬底指向N型沟道型沟道G与与S、D之间均无电接触，称为绝缘栅型场效应管。之间均无电接触，称为绝缘栅型场效应管。二氧化硅二氧化硅绝缘层绝缘层输入阻抗：输入阻抗：（栅极不取电流（栅极不取电流）因栅极绝缘，输入阻抗比因栅极绝缘，输入阻抗比JFET还高，还高，RGS1010 iG=0；iD iS绝缘：绝缘：三个电极的电流关系：三个电极的电

14、流关系：P 型衬底型衬底GSDBN+N+工作原理工作原理1、当、当uGS=0时，无论时，无论D、S间加何种间加何种极性的电压，极性的电压，其间的其间的PN结总有一个结总有一个处于反偏，无导电沟道，处于反偏，无导电沟道，iD=0。2、若若uDS=0时，时，uGS0，GSuG到到B电场电场吸引电子排斥空穴吸引电子排斥空穴当当uGSUGS(th)(反型层反型层)uGS 反型层反型层 沟道电阻沟道电阻 若在若在DS间加一个正间加一个正电压，则电压，则 iD 形成形成N型薄层型薄层uGS(th)开启电压（重要参数）开启电压（重要参数）DS间形成间形成导电沟道导电沟道 uGS对对iD有有控制作用。控制作用

15、。（为增强型（为增强型MOSFET）结论：结论：栅源电压通过改变半导体表面感生电荷的多少来改变沟道栅源电压通过改变半导体表面感生电荷的多少来改变沟道电阻从而控制漏极电流的大小，也是电阻从而控制漏极电流的大小，也是“电压控制电流器件电压控制电流器件”。3、当导电沟道形成后，、当导电沟道形成后，uDS对对iD的影响。的影响。uDS较小时较小时，满足条件满足条件 uGD=uGS-uDS UGS(th)此时沟道连续，此时沟道连续，iD uDSGSD P 型衬底型衬底BN+N+随随uDS的增大，漏端沟道明显变窄，的增大，漏端沟道明显变窄，此时沟道预夹断。此时沟道预夹断。沟道夹断后，沟道夹断后，uDS上升

16、，上升，iD 趋于饱和趋于饱和。由于由于D、S间存在电位差，间存在电位差，D端高，端高，S端低，所以导电沟道呈楔形。端低，所以导电沟道呈楔形。（预夹断方程）（预夹断方程）uDSiD0uGSuGS(th)BUDS 6V当当uGD=uGS-uDS UGS(th)5V 4VuDS BUDS，PN结击穿，结击穿，iD急剧增大。急剧增大。改变的改变的uGS值，得到一簇特性曲线。值，得到一簇特性曲线。二、特性曲线和主要参数二、特性曲线和主要参数uGS 0;uDS 0要求：要求：1.输出特性输出特性 )(DSDufi Cu GS可变电可变电 阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区uGS=UGS(th

17、)uGD=uGS(th)预夹断预夹断BUDSG GD DS S)0()(thGSuN沟道增强型沟道增强型MOSFET各工作区的条件：各工作区的条件：恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区预预夹断状态夹断状态截止区截止区/uGDuGS电源极性电源极性uGS 0;uGSuGS(th)uGD=uGS(th)uGDuGS(th)uGD 02.转移特性曲线转移特性曲线 )(GSDufi 常常数数 DSuUGS(th)2UGS(th)2)()1(thGSGSDODUuIi（恒流区）（恒流区）)1(2)()(thGSGSthGSDOGSDmUuUIdudig转移特性曲线的方程：转移特性曲线的方程：3.主要参数主要

18、参数（1）开启电压）开启电压UGS(th)：（2）漏极输出电阻）漏极输出电阻rd：DDSddidur Q（3）低频跨导）低频跨导gm：GSDmdudig CuDS 1 1、结构和工作原理、结构和工作原理二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETGSD P 型衬底型衬底BN+N+GDSB1）当）当uGS=0时，正离子使导电沟道形成。时，正离子使导电沟道形成。2）当）当uGS0，沟道加宽沟道加宽；uGS0，沟道变窄。沟道变窄。3）当）当uGS负值达到一定的数值时，沟道消失，此时的负值达到一定的数值时，沟道消失，此时的uGS=UGS(off)0，沟道加宽沟道加宽；uGS0，沟道变窄。沟道变窄。3）当

19、）当uGS负值达到一定的数值时，沟道消失，此时的负值达到一定的数值时，沟道消失，此时的uGS=UGS(off)0为管子的夹断电压。为管子的夹断电压。4）uDS对对iD的影响与增强型的影响与增强型MOSFET相似。相似。2 2、特性曲线、特性曲线-可变电可变电阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区-输出特输出特性曲线性曲线UGS(off)2 2、特性曲线、特性曲线-可变电可变电阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区-输出特输出特性曲线性曲线UGS(off)UGS(off)转移特转移特性曲线性曲线耗尽型耗尽型MOSFET的的栅源电压栅源电压可为正值，也可为负值和可为正值，也可为负值

20、和0，使用较为灵活。使用较为灵活。2GS(off)GSDSSD)1(UuIi 曲线方程：曲线方程：与与JFET相同。相同。2 2、特性曲线、特性曲线-可变电可变电阻区阻区恒恒流流区区击击穿穿区区 截止区截止区-UGS(off)GSD P 型衬底型衬底BN+N+)0()(offGSuN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET各工作区的条件：各工作区的条件：恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区预预夹断状态夹断状态截止区截止区/uGDuGS电源极性电源极性uGSuGS(off)uGD=uGS(off)uGDuGS(off)uGD 0判断判断FET工作在何状态？工作在何状态？RGRDEGED3.3k100k2V1

21、0VuGS(off)=-5VIDSS=3mA恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区预预夹断状态夹断状态截止区截止区/uGDuGSuGSuGS(off)uGS(off)uGSuGS(off)uGD uGS(off)2)()1(offGSGSDSSDuuIi 2)521(3 mA08.1 DDDDRiEu 3.308.110 V4.6 VuGD4.84.62 )(offGSu 管子工作在恒流区。管子工作在恒流区。uGS(th)=3 3VuGS=2V 0uGSuGS(th)uGD=uGS(th)uGDuGS(th)uGD U(BR)GS，PN 将被击穿。将被击穿。低频跨导低频跨导gm：uDS为常数时，漏极

22、电流为常数时，漏极电流iD的微变量与引起的微变量与引起这个变化的栅源电压这个变化的栅源电压uGS的微变量的比。的微变量的比。GSDmdudig 常常数数 DSu反映栅源电压反映栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的的控制能力，控制能力，是表征是表征FET放大能力的一个重要参数。放大能力的一个重要参数。gm也可以在转移特性曲线上求得，也可以在转移特性曲线上求得，gm的值的值较小，一般为十分之几到几较小，一般为十分之几到几mS，2GS(off)GSDSSD)1(UuIi 就是转移特性曲线在工作点处的切线斜率，就是转移特性曲线在工作点处的切线斜率，*注意注意gm的值随工作点的不同而不同。的值随工作

23、点的不同而不同。因此因此FET的放大能力比的放大能力比BJT弱。弱。MOS管的四种基本类型符号管的四种基本类型符号GSDN 沟道耗尽型沟道耗尽型GSDN沟道增强型沟道增强型GSDP 沟道增强型沟道增强型GSDP 沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管另外一种常用符号管另外一种常用符号栅极源极漏极栅极(gate)源极(source)漏极(drain)VgsVgsN沟道MOS管P沟道MOS管+-+-场效应管场效应管FET与与BJT的比较的比较FETBJT导电机理导电机理单极型三极管单极型三极管利用多子导电利用多子导电双极型三极管双极型三极管多子、少子都参与导电多子、少子都参与导电结构对结构对称性称性结构对称

24、结构对称一定条件下一定条件下D、S可互换可互换结构不对称结构不对称C、E不能互换不能互换控制方式控制方式电压控制型器件电压控制型器件uGS控制控制iD电流控制型器件电流控制型器件iB控制控制iC直流输入直流输入电阻电阻直流输入电阻很大，直流输入电阻很大，JFET大于大于107，MOSFET大于大于1010因发射结正偏，因发射结正偏，直流输入电阻相对较小直流输入电阻相对较小稳定性及稳定性及噪声噪声具有较好的温度稳定性、具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声抗辐射性和低噪声受温度和辐射影响较大受温度和辐射影响较大放大能力放大能力gm较小，放大能力较弱较小，放大能力较弱较大，放大能力较强较大，放大能

25、力较强讨论作业1.分别分析分别分析uI=0V、5V时时T是工作在截止状态还是导通状态；是工作在截止状态还是导通状态；2.已知已知T导通时的导通时的UBE0.7V，若，若uI=5V，则，则在什么范围内在什么范围内T处于放大状态处于放大状态?在什么范围内在什么范围内T处于饱和状态？处于饱和状态？通过通过uBE是否大于是否大于Uon判断管子判断管子是否导通。是否导通。A43mA)1007.05(bBEIBRUuimA4.2mA)512(cCCCmaxRVi56BCmaxii临界饱和时的临界饱和时的3作业：作业：=50，USC=12V，RB=70k，RC=6k 当当USB=-2V，2V，5V时，时，晶

26、体管的静态工作点晶体管的静态工作点Q位位于哪个区？于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区位于截止区 USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019 mA IC=IB=50 0.019=0.95 mA ICS=2 mA，Q位于饱位于饱和区和区(实际上，此时实际上，此时IC和和IB 已不是已不是 的关系）的关系）继续作作 业业 1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 1.9 1.10 1.14 1.15 晶体管输出特性三个区域的特点？晶体管输出特性三个区域的特点？双极型管和单极型管的区别？双极型管和单极型管的区别？画出画出N沟道增强型沟道增强型MOS管结构，分析工管结构，分析工作原理。作原理。结束