1、第三章第三章 场效应晶体管及其放大电路场效应晶体管及其放大电路 场效应晶体管利用输入电压影响导电沟道场效应晶体管利用输入电压影响导电沟道的形状，进而控制输出电流的形状，进而控制输出电流场效应管的主要特点：场效应管的主要特点：输入阻抗高输入阻抗高多子导电，热稳定性好多子导电，热稳定性好 本章重点介绍场效应管的结构、工作原理本章重点介绍场效应管的结构、工作原理及其应用电路。及其应用电路。N沟道沟道P沟道沟道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（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：NPPPN结耗尽层
2、N沟沟道道G 栅极栅极D漏极漏极S源极源极P衬底衬底NN源极源极 栅极栅极 漏极漏极S G D JFET结构结构IGFET结构结构N沟沟道道返回返回3.1 绝缘栅型（绝缘栅型（MOS）场效应晶体管）场效应晶体管分分增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类：各类又分两类：各类又分NMOS和和 PMOS两种：两种：MOS（Metal Oxidized Semiconductor)增强型增强型N沟道示意沟道示意P衬底NNB 基底基底源极源极 栅极栅极 漏极S G D 耗尽型耗尽型N沟道示意沟道示意B 基底基底P衬底NN+NMOS（E）的电路符号的电路符号GDSBNMOS（D）的电路符号的电路符号GSDB源极
3、源极 栅极栅极 漏极S G D+Sio2Sio2N沟道沟道P沟道沟道MOS（Metal Oxidized Semiconductor)增强型增强型P沟道示意沟道示意N衬底PPB 基底基底源极源极 栅极栅极 漏极S G D 耗尽型耗尽型P沟道示意沟道示意B 基底基底N衬底PP+PMOS（E）的电路符号的电路符号GDSBPMOS（D）的电路符号的电路符号GSDB源极源极 栅极栅极 漏极S G D+Sio2Sio2P沟道沟道返回返回3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管(EMOS)以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例一、N沟道增强型MOS管的结构SiO2SiO2二、二、N沟道增强型沟道增强型
4、MOS管的基本工作原理管的基本工作原理(0)BSv1.1.栅源电压栅源电压 对管子工作的影响对管子工作的影响GSv0DSv设设0GSv时时管子截止管子截止0GSv时时()GSGS thvV时时反型层形成，反型层形成，出现导电沟道出现导电沟道 ：开启电压开启电压()GS ththVVGDSBDiivGSQVDDVOvRD2.2.漏源电压漏源电压 对管工作的影响对管工作的影响(0)BSvDSv()GSGS thvV设设0DSv时时导电沟道变为楔形导电沟道变为楔形DSGSthvvV此时此时 VDS增加，当增加，当VGD=Vth 时，靠近时，靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为称为予夹断予夹断。
5、予夹断后，予夹断后，VDS 继续继续增加，增加，iD基本不变，基本不变，呈恒流特性呈恒流特性。栅源电压起着建立导栅源电压起着建立导电沟道电沟道由于沟道电流仅由多子由于沟道电流仅由多子流构成，故也称场效应流构成，故也称场效应管为单极型晶体管。管为单极型晶体管。漏源电压产生输出电漏源电压产生输出电流并改变沟道形状流并改变沟道形状温度稳定性能好。温度稳定性能好。由于栅极与源极和漏极之由于栅极与源极和漏极之间有绝缘层隔开，故栅极间有绝缘层隔开，故栅极输入电流极小输入电流极小 ，输，输入电阻极高，可以达到入电阻极高，可以达到 以上。以上。910 0Gi 特点：特点：输入电阻极高。输入电阻极高。因栅极输入
6、电流极小，因栅极输入电流极小，故常用的特性曲线为故常用的特性曲线为输输出特性曲线出特性曲线和和转移特性转移特性曲线。曲线。三、三、N沟道增强型沟道增强型MOS管的伏安特性曲线管的伏安特性曲线可可变变电电阻阻区区截止区：截止区：()GSGS thvV 可变电阻区：可变电阻区：()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV 1.1.输出特性曲线输出特性曲线预夹断点预夹断点此区域此区域iD随随vDS近似线性变化近似线性变化()DDSif v vGS=常数常数截止区（夹断区）截止区（夹断区）可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区饱和饱和(恒流恒流)区：区：()GSGS thvV()()D
7、SGSGS thvvV2()()2pDGSGS thkWivVL 厄尔利电压厄尔利电压AV若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应击穿区：击穿区：()DSBR DSvV2()()(1)2pDGSGS thDSkWivVvL ()()DSGSGS thvvV 2()()2pDGSGS thkWivVL截止区（夹断区）截止区（夹断区）2.N2.N沟道增强型场效应管的转移特性曲线沟道增强型场效应管的转移特性曲线()DGSif v vDS=常数常数转移特性曲线表示漏源电转移特性曲线表示漏源电压一定时，漏极电流与栅压一定时，漏极电流与栅源电压之间的关系曲线。源电压之间的关系曲线。可由输出曲线求得可由
8、输出曲线求得转移跨导：转移跨导：QDmGSigv/DimA/DSvV5 10 15 206GSvV5V4V3V2V()DSGSGS thvvVDSDSQvV2DQmGSQthIgVV在相同工作点电流在相同工作点电流情况下，情况下，MOSMOS管跨导管跨导的数值通常会比双的数值通常会比双极型管的小，可能极型管的小，可能小小1212个数量级个数量级跨导也可以由转移跨导也可以由转移特性曲线图解确定特性曲线图解确定饱和区内，过大的漏源电饱和区内，过大的漏源电压所产生的击穿与输出特性压所产生的击穿与输出特性曲线上的击穿区对应。曲线上的击穿区对应。漏源电压过大时，会导漏源电压过大时，会导致漏区与衬底间的致
9、漏区与衬底间的PNPN结出结出现反向击穿。现反向击穿。饱和区内可能会出现贯饱和区内可能会出现贯通击穿。通击穿。当栅源电压过大时，可当栅源电压过大时，可能会导致绝缘层被击穿。能会导致绝缘层被击穿。3.MOS3.MOS场效应管的击穿场效应管的击穿在在MOSMOS管工作时，漏区、管工作时，漏区、源区、导电沟道与衬底之源区、导电沟道与衬底之间的间的PNPN结不应出现正向导结不应出现正向导通情况，否则管子不能正通情况，否则管子不能正常工作。常工作。这就要求这就要求N沟道型管的沟道型管的衬源极间电压应满衬源极间电压应满足足 ，P沟道型管沟道型管应应0BSv0BSv4.MOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底
10、调制效应分立元件中，衬底分立元件中，衬底B B一般一般与源极与源极S S相连。在集成电相连。在集成电路中，由于所有元件为路中，由于所有元件为同一衬底，为保证所有同一衬底，为保证所有元件的沟道与衬底间的元件的沟道与衬底间的隔离，导电沟道与衬底隔离，导电沟道与衬底之间所形成的之间所形成的PNPN结必须结必须反偏，也即反偏，也即N N沟道沟道MOSMOS管管的的 。所以，开启。所以，开启电压和转移特性曲线右电压和转移特性曲线右移。移。0BSv背栅跨导背栅跨导P P沟道管的结构和原理与沟道管的结构和原理与N N沟道管类似。沟道管类似。但应注意沟道极性的区别及由此带来的电流、但应注意沟道极性的区别及由此
11、带来的电流、电压方向的变化。电压方向的变化。四、四、P沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管应注意特性曲线图中应注意特性曲线图中电流、电压的方向。电流、电压的方向。耗尽型耗尽型MOSMOS管在栅源零偏时即已存在导管在栅源零偏时即已存在导电沟道。电沟道。注意其符号与增强型的区别注意其符号与增强型的区别3.1.2 耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管(DMOS)0 GSv当时()GSGS offvV当时：夹断电压夹断电压()GS offV 0若若DSv也会产生预夹断和漏也会产生预夹断和漏极电流饱和的情况。极电流饱和的情况。0GSv0DSv 时已有导电时已有导电沟道，故沟道，故 时时即有漏极电流产
12、生即有漏极电流产生 0 GSv当时沟道被夹断沟道被夹断且存在沟道。且存在沟道。可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区截止区：截止区：()GSGS offvV可变电阻区：可变电阻区：()GSGS offvV()0()DSGSGS offvvV饱和饱和(恒流恒流)区：区：()GSGS offvV()()DSGSGS offvvV2()()2pDGSGS offkWivVL击穿区击穿区截止区（夹断区）截止区（夹断区）iDv DS0vGS=0vGS0输出特性曲线输出特性曲线21(1)GSDDSSDSoffviIvV0GSDSGSoffvDSSDvvVIiP P沟道型管的特性可与之类比沟道型管的特
13、性可与之类比2DQmGSQoffIgVV若考虑沟道长度调制效应若考虑沟道长度调制效应,恒流区恒流区2()()(1)2pDGSGS offDSkWivVvL MOS管类型总结管类型总结MOSMOS管管N N沟道沟道MOSMOS管管P P沟道沟道MOSMOS管管N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管MOSMOS管的结构管的结构注意注意N N沟道与沟道与P P沟沟道的区别道的区别注意增强注意增强型与耗尽型与耗尽型的区别型的区别结型场效应管的结构结型场效应管的结构根据沟道类
14、型不同亦可分类根据沟道类型不同亦可分类3.2 结型场效应管结型场效应管3.2.1 结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理结型场效应管存在着内建结型场效应管存在着内建初始导电沟道，这一点与初始导电沟道，这一点与耗尽型管类似。耗尽型管类似。结型场效应管应用时结型场效应管应用时vGS必必须加须加反偏电压反偏电压，以通过耗，以通过耗尽层的宽度来调节沟道。尽层的宽度来调节沟道。一、栅源电压一、栅源电压vGS对管子工作的影响对管子工作的影响0GSv时时0DSv设设()GSGS offvV时时沟道全夹断。沟道全夹断。()GS offoffVV夹断电压：夹断电压：当当vGS时，时，PNPN结反偏
15、，耗尽层变宽，结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道导电沟道变窄，沟道电阻增大。电阻增大。但当但当|vGS|较较小时，耗尽小时，耗尽区宽度有限，区宽度有限，存在导电沟存在导电沟道。道。DS间间相当于线性相当于线性电阻。电阻。vGS=0 0时，为平时，为平衡衡PN结，导电沟结，导电沟道最宽。道最宽。0DSv时时导电沟道变为楔型导电沟道变为楔型()DSGSGS offvvV即时时vDS继续增大时继续增大时,沟道沟道变短，变短，iD基本不变。基本不变。沟道预夹断。沟道预夹断。(,0GSoffvV设设二、漏源电压二、漏源电压vDS对管子工作的影响对管子工作的影响()GDGS offvV 当当时时三、结
16、型场效应管的特性曲线三、结型场效应管的特性曲线1 1、输出特性曲线、输出特性曲线 可变电阻区：预夹断前。可变电阻区：预夹断前。常数常数 GSUDSDufi|)(电流饱和区（恒流区）：电流饱和区（恒流区）：预夹断后。预夹断后。特点：特点：ID/V VGS GS 常数常数=g gm m 即：即：ID=g gm m V VGSGS（放大原理）（放大原理）夹断区（截止区）。夹断区（截止区）。予夹断曲线予夹断曲线vGS=0V-1V可变电阻区可变电阻区-2V-3V-4V-5V夹断区夹断区恒流区恒流区iDv DS0输出特性曲线输出特性曲线vDS=vGS-VGS(off)IDSS予夹断曲线予夹断曲线VGS=0
17、V1V可变电阻区可变电阻区2V3V4V5V夹断区夹断区恒流区恒流区iDv DS0输出特性曲线输出特性曲线2 2、转移特性曲线、转移特性曲线常数常数 DSUGSDufi|)(饱和漏极电流饱和漏极电流VGS(off)夹断电压夹断电压)0()1()(2)(GSoffGSoffGSGSDSSDUUUuIi恒流区恒流区1.栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍不够高。某些场合仍不够高。3.栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
18、2.在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：综上分析可知综上分析可知 场效应管沟道中只有一种类型的多数载流子参与导场效应管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电，所以场效应管也称为单极型三极管。场效应管是电压控制电流器件，恒流区场效应管是电压控制电流器件，恒流区iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋趋于饱和。于饱和。JFETJFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向
19、偏置结是反向偏置的，的，MOSFETMOSFET栅栅极与沟道间极与沟道间绝缘绝缘，因此，因此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。特性特性曲线曲线增强型增强型MOS管象双极型三极管一样有一个开启电压管象双极型三极管一样有一个开启电压VGS(th)(VT)，（相当于三极管死区电压）。（相当于三极管死区电压）。当当|VGS|低于低于|VGS(th)|时，漏源之间无沟道，时，漏源之间无沟道，iD=0。|VGS|高于高于|VGS(th)|时时，形成反型层，漏源之间加电压后，形成反型层，漏源之间加电压后,()DSGSGS thvvv 当当 时时，工工作作在在可可变变电电阻阻区区()DSGSGS thvvv 当当 时时，工工作作在在恒恒流流区区.耗尽型耗尽型场效应管的工作原理类似场效应管的工作原理类似结型结型场效应管。场效应管。返回返回结构结构VDMOS和IGBT管自学1.4.41.4.4双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较电压或电流输入电压或电流输入作业 3.1.1 3.1.5 3.2.2
