各种场效应管的原理和特性曲线.ppt

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,*,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,*,各种场效应管的原理和特性曲线,第三章 场效应管,3.0,概 述,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件,也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。,场效应管与三极管主要区别：,场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。,场效应管是单极型器件（,三极管是双极型器件,）。,场效应管受温度的影响小（,只有多子漂移运动形成电流,）,一、场效应管的种类,第三章 场效应管,按结构不同分为,绝缘栅型场效应管,MOSFET,结型场效应管,JFET,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,沟道,MOSFET,（按工作方式不同）,耗尽型（,DMOS,）,增强型（,EMOS,）,沟道,：,指载流子流通的渠道、路径。,N,沟道,是指以,N,型材料构成的区域,作为载流子流通的路径；,P,沟道,指以,P,型材料构成的区域,作为载流子流通的路径。,第三章 场效应管,二、场效应管的结构示意图及其电路符号,JFET,结构示意图及电路符号,S,G,D,S,G,D,P,+,P,+,N,G,S,D,N,沟道,JFET,P,沟道,JFET,N,+,N,+,P,G,S,D,返回,耗尽型场管的结构示意图及其电路符号,第三章 场效应管,S,G,U,D,I,D,S,G,U,D,I,D,P,P,+,N,+,S,G,D,U,N,+,N,沟道,DMOS,N,N,+,P,+,S,G,D,U,P,+,P,沟道,DMOS,DMOS,管结构,V,GS,=0,时，导电沟道已存在,返回,第三章 场效应管,增强型场管的结构示意图及其电路符号,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,N,N,+,P,+,S,G,D,U,P,+,S,G,U,D,S,G,U,D,返回,场效应管的电路符号,第三章 场效应管,S,G,D,S,G,D,S,G,U,D,I,D,S,G,U,D,I,D,U,S,G,D,I,D,S,G,U,D,I,D,N,E,MOS,N,D,MOS,P,D,MOS,P,E,MOS,MOS,场效应管,MOSFET,结型场效应管,JFET,返回,总结,总结：,第三章 场效应管,场效应管的电路符号可知：无论是,JFET,或是,MOSFET,，它都有三个电极：栅极,G,、源极,S,、漏极,D,。它们与三极管的三个电极一一对应,（其实它们之间的对应关系除了电极有对应关系外，由它们构成的电路的特性也有对应关系，这些我们在第四再给大家讲）,：,G-B S-E D-C,N,沟道管子箭头是指向沟道的，而,P,沟道管子的箭头是背离沟道的。,返回,3.1,场效应管的工作原理,第三章 场效应管,JFET,与,MOSFET,工作原理相似，它们都是利用电场效应来控制电流，即都是利用改变栅源电压,v,GS,，来改变导电沟道的宽度和高度，从而改变沟道电阻，最终达到对漏极电流,i,D,的控制作用。不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。,(,下面我们以,N,沟道,JFET,、,N,沟道增强型,为例进行分析）,返回,第三章 场效应管,3.1.1,JFET,管,工作原理,N,沟道,JFET,管外部工作条件,V,DS,0,(,保证栅漏,PN,结反偏,),V,GS,0,(,保证栅漏,PN,结反偏,),。,U,接电路最低电位或与,S,极相连,(,保证源衬,PN,结反偏,),。,V,GS,0,(,形成导电沟道,),P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,-+,-+,V,GS,栅,衬之间,相当于以,SiO,2,为介质的平板电容器,。,增强型管子沟道形成原理,第三章 场效应管,3.1.2 N,沟道,EMOSFET,沟道形成原理,假设,V,DS,=0,，,讨论,V,GS,作用,P,P,+,N,+,N,+,S,G,D,U,V,DS,=0,-+,V,GS,形成空间电荷区,并与,PN,结相通,V,GS,衬底表面层中,负离子,、电子,V,GS,开启电压,V,GS(th),形成,N,型导电沟道,表面层,n,p,V,GS,越大,，,反型层中,n,越多,，,导电能力越强,。,反型层,返回,第三章 场效应管,3.2,场效应管的伏安特性曲线,（以,NEMOSFET,为例）,由于场效应管的栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。,共源组态特性曲线：,I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=,常数,转移特性,：,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=,常数,输出特性,：,+,T,V,DS,I,G,0,V,GS,I,D,+,-,-,转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。,NDMOSFET,的特性曲线,NJFET,的特性曲线,输出特性曲线可划分四个区域：,I,D,只受,U,GS,控制，而与,U,DS,近似无关，表现出类似三极管,的正向受控作用。,非饱和区,（又称可变电阻区）,特点：,I,D,同时受,U,GS,与,U,DS,的控制,。,I,D,/,mA,U,DS,/,V,0,U,DS,=U,GS,U,T,U,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,NEMOS,管输出特性曲线,非饱和区,、,饱和区,、,截止区,、,击穿区,。,饱和区,（又称恒流区）,特点：,V,GS(th),开启电压，开始有,I,D,时对应的,V,GS,值,截止区,（,I,D,=0,以下的区域）,击穿区,I,G,0,，,I,D,0,第一章 半导体器件,返回,第三章 场效应管,非饱和区,特点,：,I,D,同时受,V,GS,与,V,DS,的控制,。,当,V,GS,为常数时,，,V,DS,I,D,近似线性,，,表现为一种电阻特性,；,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,当,V,DS,为常数时,，,V,GS,I,D,，,表现出一种压控电阻的特性,。,沟道预夹断前对应的工作区。,条件,：,V,GS,V,GS(th),V,DS,V,GS(th),V,DS,V,GS,V,GS(th),考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随,V,DS,的增加略有上翘。,注意：饱和区（又称恒流区）对应三极管的放大区。,饱和区,饱和区工作时的数学模型,返回,第三章 场效应管,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则,I,D,的修正方程：,工作在饱和区时，,MOS,管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中：,称,沟道长度调制系数，其值与,l,有关。,通常,=(0.005 0.03)V,-1,返回,第三章 场效应管,特点,：,相当于,MOS,管三个电极断开,。,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(th),V,GS,=5V,3.5V,4V,4.5V,沟道未形成时的工作区,条件,：,V,GS,0,，,V,GS,正、负、零均可,。,外部工作条件,：,DMOS,管,在饱和区与非饱和区的,I,D,表达式,与,EMOS,管,相同,。,PDMOS,与,NDMOS,的差别仅在于电压极性与电流方向相反。,NDMOS,管,伏安特性,返回,第三章 场效应管,NJFET,管,伏安特性,I,D,/,mA,V,DS,/,V,0,V,DS,=V,GS,V,GS(off),V,GS,=0V,-,2V,-,1.5V,-,1V,-,0.5V,I,D,=,0,时对应的,V,GS,值,夹断电压,V,GS,（,off,）,。,V,GS,=,0,时对应的,I,D,值,饱和漏电流,I,DSS,。,PJFET,与,NJFET,的差别仅在于电压极性与电流方向相反,在饱和区时的,数学模型,：,返回,第三章 场效应管,V,DS,极性取决于沟道类型,N,沟道：,V,DS,0,，,P,沟道：,V,DS,0,I,D,(,m,A),V,GS,(,V),V,GS(th),V,GS(th),V,GS(off),V,GS(th),V,GS(th),V,GS(off),P,沟道,：,V,DS,V,GS,V,GS(th),，,V,GS,V,GS(th),，,假设成立,。,返回,3.4.2,小信号电路模型,第三章 场效应管,FET,管高频小信号电路模型,当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,d,v,gs,-,v,ds,+,+,-,C,d,s,C,gd,C,gs,栅源极间平板电容,漏源极间电容,（漏衬与源衬之间的势垒电容）,栅漏极间平板电容,简化的小信号等效电路,第三章 场效应管,g,m,v,g,s,r,ds,g,d,s,i,c,v,gs,-,v,ds,+,+,-,r,ds,为,场效应管,输出电阻,：,由于场效应管,I,G,0,，,所以输入电阻,r,gs,。,而三极管发射结正偏，,故输入电阻,r,be,较小,。,与三极管,输出电阻表达式,相似,。,r,be,r,ce,b,c,e,i,b,i,c,+,-,-,+,v,be,v,ce,i,b,MOS,管简化小信号电路模型,(,与三极管对照,),返回,g,m,的含义,第三章 场效应管,FET,跨导,得,通常,MOS,管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上，即,MOS,管放大能力比三极管弱。,(MOSFET,管,）,(JFET,）,返回,第三章 场效应管,3.5,场效应管电路的分析方法,场效应管电路分析方法与三极管电路分析方法相似，可以采用,估算法,分析电路直流工作点；采用,小信号等效电路法,分析电路动态指标。,场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一定要注意自身特点。,估算法,MOS,管截止模式判断方法,假定,MOS,管工作在放大模式,：,放大模式,非饱和模式,（需重新计算,Q,点,）,N,沟道管,：,V,GS,V,GS(th),截止条件,非饱和与饱和（放大）模式判断方法,a),由直流通路写出管外电路,V,GS,与,I,D,之间关系式,。,c),联立解上述方程，选出合理的一组解,。,d),判断电路工作模式,：,若,|,V,DS,|,V,GS,V,GS(th),|,若,|,V,DS,|,V,GS,V,GS(th),|,b),利用饱和区数学模型,：,第三章 场效应管,第三章 场效应管,小信号等效电路法,场效应管小信号等效电路分法与三极管相似。,利用微变等效电路分析交流指标。,画交流通路,将,FET,用小信号电路模型代替,计算微变参数,g,m,、,r,ds,注：具体分析将在第四章中详细介绍。,返回,第三章 场效应管,场效应管与三极管性能比较,项目,器件,电极名称,工作区,导电,类型,输入电阻,跨导,三,极,管,e,极,b,极,c,极,放大区,饱,和,区,双极型,小,大,场效应管,s,极,g,极,d,极,饱和区,非饱和区,单极型,大,小,