常用半导体器件场效应管及应用.ppt

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1、模拟电子技术基础,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,主讲：赵建辉,第一章 常用半导体器件(3.场效应管),1.1 半导体基础知识1.2 半导体二极管1.3 双极型晶体管1.4 场效应管1.5 单结晶体管和晶闸管1.6 集成电路中的元件,第1章 常用半导体器件,本节课内容,自学,不要求,1.4 场效应管(FET),重点：场效应管结构、放大原理、特性曲线。难点：1.场效应管电流沟道 2.输出曲线和转移曲线 3.场效应管主要参数及意义,重点难点,1.4.1 结型场效应管(JFET)1.4.2 绝缘栅型场效应管(MOSFET)1.4.3 场效应管主要参数1.4.4 场效应管与晶体管的比较,场效应

2、管(FET,Feiled Effictive Trsnsister)利用输入回路电压控制输出回路电流的半导体器件（压控器件）。仅靠一种（而非两种）多数载流子（漂移）导电，又称单极性晶体管；从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。特点：输入电阻高：1071012；体积小、重量轻、寿命长、噪声低、热稳定性好，抗辐射能力强、低功耗，易加工。,1.4 场效应管,问题的引出：,BJT：电流控制，be结正偏，rbe较小，吸收功率，如何进一步提高ri,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）,分类：,P沟道,1.结构,N型导电沟

3、道,漏极D(d),源极S(s),沟道电阻 长度、宽度、掺杂,反偏的PN结(栅源极反偏)反偏电压控制耗尽层,结构特点:,栅极G(g),结构与符号,1.4.1 结型场效应管(JFET),N,箭头向内表示N沟道,一、JEFT 工作原理,UGS对沟道的控制作用（UDS=0）,UDS对沟道的影响（0UGSUGS(off)）,UGS=0,UGS(OFF)UGS0,UGS=UGS(OFF),|UGS|增加耗尽层加厚沟道变窄沟道电阻增大（注意：对N-JEFT,UGS0，栅源极反偏）,全夹断（夹断电压）,uDS对沟道的影响（0UGSUGS(OFF)）,UDS ID，GD间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽

4、层加宽,呈楔形分布（可变电阻）。,UGD=VGS(OFF)时，在靠漏极处出现预夹断。,UDS 夹断区延长,但ID基本不变(恒流特性)平衡作用,UGDUGS(OFF),UGD=UGS(OFF),UGDUGS(OFF),（UGD=UGS-USD）,2.工作原理,UGS和UDS同时作用时,2.转移特性,1.输出特性,二、N沟道JEFT 特性曲线,UGS(off),0,iD,uGS,UGS(off),N沟道JFET管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS=0V,IDO,UGS=UGS(off),IDSS,予夹断轨迹,夹断区,恒流区,可变电阻区,饱和漏极电流,夹断电压,输出特性曲线,转移特性曲线

5、,P沟道JEFT 特性曲线,综上分析可知（结论）,（1）当UDS使|UGD|UGS(OFF)|时,预(未完全)夹断，iD趋于恒定饱和，iD只受到UGS控制，与UDS无关（压控电流源）。（4）完全夹断，iD=0,相当三极管截止。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此 iG0，输入电阻很高。JFET是电压控制电流器件，iD受UGS控制，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。,栅源电压对漏极电流的跨导：,FET场效应管,JFET结型,MOSFET绝缘栅型,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）,1.4.2 绝缘栅型场效应

6、管(IGFET),一、N沟道增强型MOSFET,1.结构 与符号,箭头方向？中间虚线意思？,？,金属铝,2.沟道形成原理（N沟增强型）,当栅极正电压时，若0VGSVGS(th)时，栅极下方的 P 型半导体中的空穴向下排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。少子数量有限，不足以形成沟道，不能形成漏极电流ID。,进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层,N沟道增强型MOSFET,3.工作原理,UGS=0,UGD UGS(th),UGS UGS(th),UG

7、D=UGS(th),UDS=0,UGSUGS(th),s,d,B,g,s,d,B,g,s,d,B,g,s,d,B,g,N+,N+,N+,N+,N+,N+,N+,P,P,P,P,耗尽层,耗尽层,反型层,UGS,UDS,0,iD,uGS,UGS(th),4.N沟道增强型FET管的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS=2UGS(th),IDO,UGS=UGS(th),IDO,2UGS(th),予夹断轨迹,可变电阻区,夹断区,恒流区,N沟道增强型MOS管,N沟道耗尽型MOS管,二、N沟道耗尽型MOSFET,虚线表示初试无沟道,掺入正离子,N沟道耗尽型FET管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=

8、0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。输入可正可负。,iD,转移特性曲线,输出特性曲线,UGS=0,IDSS,UGS=UGS(off),IDSS,UGS(off),予夹断轨迹,可变电阻区,夹断区,恒流区,各种FET的特性比较,注意P型与书上象限不同！（P43）,注意P型与书上象限不同！（P43）,注意P型与书上象限不同！（P43）,(a)转移特性；(b)输出特性,增强型,(b)输出特性,场效应管的转移特性和输出特性综合对比,1.4.3 场效应管主要参数,一、直流参数：（1）开启电压UGS(th)或VT：开启电压是增强型MOS管的参

9、数，UDS为常数使iD为规定电流（5A）时的UGS。栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。（2）夹断电压UGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，UDS为常数使iD为规定电流（5A）时的UGS。当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型FET,当UGS=0时,产生预夹断时漏极电流。（4）输入电阻RGS 输出电阻rDS 栅源输入电阻，结型FET，反偏时RGS107，对于绝缘栅型FET,RGS1091015。,二、交流参数：低频跨导gm 反映了栅压对漏极电流的控制作用，与三极管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西

10、门子)。极间电容 三极之间均存在电容，高频时要考虑。,三、极限参数：(1)最大漏极电流IDM(2)击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS,栅源击穿U(BR)GS(3)最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM=V(BR)DS*IDM决定，与双极型三极管的PCM 相当。,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,FET与BJT性能比较,场效应管放大电路,第二章讲。,JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,？,结型有N沟道和P沟道两种，N沟道在UGS0下工作,绝缘栅场效应管有N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。,2.场效应管是单极型电压控制器件，输入电阻高，一 般可达109。,小 结,第一章 作业,