各种场效应管的原理和特性曲线省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

主要内容3.0 概述概述3.1 场效应管场效应管工作原理工作原理3.2 场效应管场效应管特征曲线特征曲线3.3场效应管使用场效应管使用注意事项注意事项3.4场效应管场效应管等效电路等效电路3.5场效应管电路场效应管电路分析方法分析方法第第1页页3.0 3.0 概概 述述 场效应管是一个利用电场效应来控制电流半导体器场效应管是一个利用电场效应来控制电流半导体器件件,也是一个含有正向受控作用半导体器件。它体积也是一个含有正向受控作用半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特征便于控制，是当前制造大规小、工艺简单，器件特征便于控制，是当前制造大规模集成电路主要有源器件。模集成电路主要有源器件。场效应管与三极管主要区分：场效应管与三极管主要区分：场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。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（场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件三极管是双极型器件）。）。场效应管受温度影响小（场效应管受温度影响小（只有多子漂移运动形成电流只有多子漂移运动形成电流）第第2页页一、场效应管种类一、场效应管种类按结构不一样分按结构不一样分为为绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET结型场效应管结型场效应管JFETP P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道MOSFETMOSFET（按工作方式不一样）（按工作方式不一样）（按工作方式不一样）（按工作方式不一样）耗尽型（耗尽型（DMOS）增强型（增强型（EMOS）沟道沟道：指载流子流通渠道、路径。指载流子流通渠道、路径。N沟道沟道是指以是指以N型材料组成区域型材料组成区域作为载流子流通路径；作为载流子流通路径；P沟道沟道指以指以P型材料组成区域型材料组成区域作为载流子流通路径。作为载流子流通路径。第第3页页3.1 场效应管工作原理场效应管工作原理 JFET与与MOSFET工工作作原原理理相相同同，它它们们都都是是利利用用电电场场效效应应来来控控制制电电流流，即即都都是是利利用用改改变变栅栅源源电电压压vGS，来来改改变变导导电电沟沟道道宽宽度度和和高高度度，从从而而改改变变沟沟道道电电阻阻，最最终终到到达达对对漏漏极极电电流流iD 控控制制作作用用。不不一一样样之之处处仅仅在在于于导导电电沟沟道道形形成成原原理理不不一一样样。(下下面面我我们们以以N沟沟道道JFET、N沟沟道道增增强强型型为例进行分析）为例进行分析）返回返回第第9页页3.1.2N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假设假设VDS=0，讨论讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS形成空间电荷区形成空间电荷区形成空间电荷区形成空间电荷区并与并与并与并与PNPN结相通结相通结相通结相通V VGSGS 衬底表面层中衬底表面层中衬底表面层中衬底表面层中负离子负离子负离子负离子 、电子、电子、电子、电子 V VGSGS 开启电压开启电压开启电压开启电压V VGS(th)GS(th)形成形成形成形成N N型导电沟道型导电沟道型导电沟道型导电沟道表面层表面层表面层表面层 n np pV VGSGS越大越大越大越大，反型层中反型层中反型层中反型层中n n 越多越多越多越多，导电能力越强导电能力越强导电能力越强导电能力越强。反型层反型层反型层反型层返回返回返回返回第第15页页3.2 场效应管伏安特征曲线场效应管伏安特征曲线（以（以（以（以NEMOSFETNEMOSFET为例）为例）为例）为例）因为场效应管栅极电因为场效应管栅极电因为场效应管栅极电因为场效应管栅极电流为零，故不讨论输入流为零，故不讨论输入流为零，故不讨论输入流为零，故不讨论输入特征曲线。特征曲线。特征曲线。特征曲线。共源组态特征曲线：共源组态特征曲线：共源组态特征曲线：共源组态特征曲线：ID=f(VGS)VDS=常数常数转移特征转移特征转移特征转移特征：ID=f(VDS)VGS=常数常数输出特征输出特征输出特征输出特征：+TVDSIG 0VGSID+-转移特征与输出特征反应场效应管同一物理过程，转移特征与输出特征反应场效应管同一物理过程，转移特征与输出特征反应场效应管同一物理过程，转移特征与输出特征反应场效应管同一物理过程，它们之间能够相互转换。它们之间能够相互转换。它们之间能够相互转换。它们之间能够相互转换。NDMOSFETNDMOSFET特征曲线特征曲线特征曲线特征曲线NJFETNJFET特征曲线特征曲线特征曲线特征曲线第第16页页 V VDSDS极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型极性取决于沟道类型N N沟道：沟道：沟道：沟道：V VDSDS00，P P沟道：沟道：沟道：沟道：V VDSDS00ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P沟道沟道沟道沟道：VDS0 ID(mA)VGS(V)结型结型结型结型结型结型结型结型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型增强型MOS管管：VGS与与VDS极性相同极性相同。耗尽型耗尽型MOS管管：VGS取值任意取值任意。结型结型FET管管：VGS与与VDS极性相反极性相反。返回返回第第26页页3.3场效应管使用注意事项场效应管使用注意事项 因为因为MOS管管COX X很小，所以当带电物体（或人）靠近金很小，所以当带电物体（或人）靠近金属栅极时，感生电荷在属栅极时，感生电荷在SiO2绝缘层中将产生很大电压绝缘层中将产生很大电压VGS(=Q/COX)，使，使绝缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成MOS管永久性损坏管永久性损坏。MOS管保护办法管保护办法：分立分立MOS管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路集成电路：TD2D1D1D2首先限制首先限制VGS间最间最大电压，同时对感大电压，同时对感 生电生电荷起旁路作用。荷起旁路作用。第第27页页3.4场效应管等效电路场效应管等效电路q 3.4.1FET直流简化电路模型直流简化电路模型直流简化电路模型直流简化电路模型(与三极管相对照与三极管相对照与三极管相对照与三极管相对照)场效应管场效应管G、S之间开路之间开路 ，IG 0。三极管发射结因为正偏而导通，等效三极管发射结因为正偏而导通，等效为为VBE(on)。FET输出端等效为输出端等效为压控压控电流源电流源，ID受受VGS控制控制。三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源电流源，满足满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-详细电路分析详细电路分析详细电路分析详细电路分析小信号等效电路小信号等效电路小信号等效电路小信号等效电路第第28页页3.5场效应管电路分析方法场效应管电路分析方法 场场效效应应管管电电路路分分析析方方法法与与三三极极管管电电路路分分析析方方法法相相同同，能能够够采采取取估估算算法法分分析析电电路路直直流流工工作作点点；采取采取小信号等效电路法小信号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。场效应管估算法分析思绪与三极管相同，只是场效应管估算法分析思绪与三极管相同，只是因为两种管子工作原理不一样，从而使外部工作条因为两种管子工作原理不一样，从而使外部工作条件有显著差异。所以用估算法分析场效应管电路时，件有显著差异。所以用估算法分析场效应管电路时，一定要注意本身特点。一定要注意本身特点。q 估算法估算法第第33页页 MOS管截止模式判断方法管截止模式判断方法假定假定MOS管工作在放大模式管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式（需重新计算（需重新计算Q点点）N沟道管沟道管：VGSVGS(th)截止条件截止条件 非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)a)由直流通路写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式之间关系式。c)c)联立解上述方程，选出合理一组解联立解上述方程，选出合理一组解。d)d)判断电路工作模式判断电路工作模式：若若|VDS|VGSVGS(th)|若若|VDS|VGSVGS(th)|b)b)利用饱和区数学模型利用饱和区数学模型：第第34页页q 小信号等效电路法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同。场效应管小信号等效电路分法与三极管相同。利用微变等效电路分析交流指标。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号电路模型代替用小信号电路模型代替 计算微变参数计算微变参数gm、rds注：详细分析将在第四章中详细介绍。注：详细分析将在第四章中详细介绍。返回返回第第35页页q 场效应管与三极管性能比较场效应管与三极管性能比较 项目项目器件器件电极名称电极名称工作区工作区导导电电类类型型输输入入电电阻阻跨跨导导三三极极管管e e极极b b极极c c极极放放大大区区饱饱和和区区双双极极型型小小大大场效场效应管应管s s极极g g极极d d极极饱饱和和区区非饱非饱和区和区单单极极型型大大小小第第36页页