晶体三极管基础2

JFET uDS < uGS-UGS（off） uDS=uGS U （D ） u >u − U （ ） i = DSS ) （ ） 恒流区的大信号特性方程 - GS（off） IuDS (1GS-UGS（off） uGD> UGS（off） uGD= UGS（off） GD < UGS（off） （ ） （ ） （ ） GS(off)
2.3.1 N沟道增强型 沟道增强型MOSFET工作原理 沟道增强型 工作原理
DSS

(3) 最大漏源电压 DS 最大漏源电压BU (4) 最大栅源电压= − gmo 最大栅源电压BUGS = − gmo
I DSS iD ID I DSS
Q
U GS(off)
∂iD gm = (6) 输出电阻∂ds 输出电阻r u GS
GS(off)
∂ u DS r = Q ∂iD 跨导反映了栅源电压对漏极电流的 1 ∂i D λI D −1 −1 rds = ( ) ≈ 控制能力， ) = ( 控制能力，它相当于转移特性曲线 Q 1 ∂uDS λI D 工作点上的斜率。 工作点上的斜率。 + λU DS
场效应管根据结构不同分为两大类： 场效应管根据结构不同分为两大类 ：
结型场效应管 (JFET)
绝缘栅场效应管 (IGFET)
输入阻抗 10 ~ 10 Ω
6 9
输入阻抗 10
12
~ 1014 Ω
在 IGFET 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧 中又有多种类型， 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－ 化硅 Si O2 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场 效 应 管 ( MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 。 )
GS 2
(1u+ λuDS) DS >0
其中
1
uGD < UGS（off） （ ） 休息2
λ
相当于 BJT 的 U A
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2.2.2 JFET特性曲线及参数 特性曲线及参数
2 转移特性曲线 i D = f ( u GS ) u
=C
DS
它表示了漏源电压一定时， 它表示了漏源电压一定时，栅源 电压对漏源电流的控制作用。 电压对漏源电流的控制作用。 转移特性的大信号特性方程： 转移特性的大信号特性方程：
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uGS 2 2.2.2 JFET特性曲线及参数 特性曲线及参数 d I (1 − )
（ 1）夹断电压 u G S（ off） | ）夹断电压|U
U GS(off ) (2) 饱和漏电流 IDS S =− 2 I DSS (1 −
GS
U GS(off) 3.m主要参数 g = duGS )
S 源极 D 漏极
D
N+
N+
G S
(2) P 沟 道 管 型半导体， 导电沟道为 P 型半导体，称为 P 型 沟道管。 沟道管。
P
S源极 源工作原理 的结构及基本工作原理 2 工作原理 (1) uGS 对漏极电流 iD 的控制作用
N 沟道： uGS < 0 ， 沟道： PN 结反偏，耗尽层 ↑ → 沟道截面 ↓ 结反偏，
近似线性关系。 与 全夹断区 iD区 uDS 近似线性关系。 （ ） IV区:全夹断区：当uGS<UGS（off） 全夹断区： 输出特性的斜率随栅源电压而变化， 输出特性的斜率随栅源电压而变化 栅源电压愈负， 沟道完全被夹断， 时，沟道完全被夹断，iD=0,也称 ，栅源电压愈负，输出特性 也称 曲线相对纵坐标轴愈倾斜,漏源间的等效电阻愈大 漏源间的等效电阻愈大。 曲线相对纵坐标轴愈倾斜 漏源间的等效电阻愈大。 为截止工作区。 为截止工作区。
结的正向受控作用的有源器件， 场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件， 它是利用电场效应来控制输出电流的大小 利用电场效应来控制输出电流的大小， 它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。
电压增量 ∆uDS = uDS − UGS(off) 降落 在夹断区上， 夹断沟道电压不变 在夹断区上，未夹断沟道电压不变 , 沟道 不变。 iD 不变。当 uDS ↑↑ → uDS > BUDS → 强电场 → PN 结雪崩击穿 → iD ↑↑ 。
uDS
S
综上分析，可得下述结论 综上分析，可得下述结论:
G
P
+
D
iD
uDS
P
+
如果在 uDS > 0 时 ( u DS 一定 )
uGS
N
i D 的大小受 uGS 的控制
当 uGS = U GS(off) 时 → 沟道夹断 → i D = 0
S
一般： 一般： uGS ↑→ 沟道截面 ↓ → 沟道电阻 ↑ → i D ↓
小结：场效应管是一种压控器件； 小结：场效应管是一种压控器件； 场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。 场效应管只有一种极性的载流子导电－单极性晶体管。
G iD
N
P+ P+
uDS
u GS
S
2.2.2 JFET特性曲线及参数 特性曲线及参数 III:击穿区：当uDS>BUDS后， 击穿区： 1 击穿区 输出特性曲线
由于加到沟道中耗尽层的电压
GS 太高，电场很强， =C 太高，电场很强，致使栅漏间
iD = f ( uDS ) u
：可变电阻区： I：可变电阻区： 结发生雪崩击穿， 的PN结发生雪崩击穿，iD迅速 结发生雪崩击穿 uDS < 1 上升 uGS − UGS(off)，由于 uDS 较小
u DS = 常量 ds
2 I DSS (5)=低频跨导 m 低频跨导g g mo 是在u 是在 GS =0情况下的跨导 情况下的跨导 U
反映沟道长度的调制效应， 反映沟道长度的调制效应， 是输出特性曲线工作点上 切线斜率的倒数。 切线斜率的倒数。
2.2.3 JFET的小信号模型 的小信号模型 由 JFET 的输出特性可知 i D = f ( uGS , uDS )
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2.3 金属 氧化物—半导体场效应管（MOSFET） 金属—氧化物 半导体场效应管 氧化物 半导体场效应管（ ）
自上世纪80年代以来，大规模 集成电路发展十分迅速， 自上世纪 年代以来，大规模MOS集成电路发展十分迅速， 年代以来 集成电路发展十分迅速 集成电路在当代大规模集成电路中占据主流地位。 使MOS集成电路在当代大规模集成电路中占据主流地位。 集成电路在当代大规模集成电路中占据主流地位 栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大， 栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大，目前广泛 为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属 金属－ 应用的是 Si O2 为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属－氧化物 半导体场效应管， －半导体场效应管，简称 MOSFET。 。 的类型： MOSFET 的类型： 增强型 N 沟道 MOS 管（ E 型 N MOSFET） ） 耗尽型 N 沟道 MOS 管（ D 型 N MOSFET） ） 增强型 P 沟道 MOS 管（ E 型 P MOSFET） ） 耗尽型 P 沟道 MOS 管（ D 型 P MOSFET） ）
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(2) uDS对iD的影响 I： uDS > 0 ， uGS = 0 ： II： u DS > 0 ， uGS < 0 ， ： 由于沟道电阻， 由于沟道电阻，漏源电压 uDS 沿沟道递降 电压时， 值不同， 在相同 uDS 电压时， uGS 值不同，
D iD
N
P+ P+
结反偏电压不等（上大，下小） 故沿沟道 PN 结反偏电压不等（上大，下小） G 相应的预夹断电压也不同。 相应的预夹断电压也不同。 耗尽层（上宽下窄） 沟道宽度（上窄下宽） 耗尽层（上宽下窄）, 沟道宽度（上窄下宽） . 预夹断电压： 预夹断电压： uDS = uGS − UGS(off) 靠近漏极出现沟道合拢, 靠近漏极出现沟道合拢 u GS 当 uDS = UGS(off) 时， uGS ↓< 0 → 加强反偏 → 耗尽层 ↑ 出现预夹断状态 预夹断状态； 即，出现预夹断状态 → 沟道电阻 ↑ 预夹断状态之后： 预夹断状态之后： → iD ↓ 如果 uDS ↑ → 合拢点向源极方向移动
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2.2.1 JFET的结构及基本工作原理 的结构及基本工作原理
1 结构 沟道管： N 沟道管 ： 电子导电 沟道管： P 沟道管：空穴导电
D 漏极 G 栅极
P+ P+
N
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休息2
(1) N 沟道管
在一块 N 型硅片两侧分别制作 + 一个高浓度的 P 型区，形成 P N 结， 两个 P 型区的引线连在一起作为一 个 电 极 ， 称 为 栅 极 G。 在 N 型 区 两 。 端引出两个电极分别称为源极 S 和 漏 极 D， 两 个 PN 结 之 间 的 N 区 域 ， 称为电沟道。符号中箭头的方向代 G 栅极 表了栅源电压处于正偏时栅极的电 流方向。
在小信号条件下，微分 在小信号条件下，微分diD、duGS和duDS可以分别用交流小信 号id、ugs和uds来代替。 来代替。 得到JFET的低频小信号电流、电压之间的关系式 的低频小信号电流、 得到 的低频小信号电流
ig = 0 1 i d = g m ugs + r uds ds
λ
II ：放大区（恒流区或饱合区） uDS > uGS − UGS(off) ： 放大区（恒流区或饱合区） 放大区（饱和区） 类型 可变电阻区 预夹断状态 放大区（饱和区） 截止区 输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区， 输出特性曲线平坦但略向上倾斜，是模拟电路工作区，向上倾 斜的原因是由于沟道的调制效应。 ） 斜的原因是由于沟道的调制效应。off） 0>uGS> UGS（off） uGS <UGS（off）<0 0>uGS> UGS（ N沟道 0>uGS> UGS（off） 沟道 （ ） （ （ （ ） u ）