模拟电子技术基础第1章常用半导体器件14场效应管

2020/6/13
第三节 绝缘栅场效应管（IGFET) 的结构和工作原理
一、 IGFET的结构
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MOS场效应管分类
N沟道增强型的MOS管
MOS场效应管
P沟道增强型的MOS管 N沟道耗尽型的MOS管
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P沟道耗尽型的MOS管
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二、 增强型MOS场效应管
接，导电沟道被预夹断。对应输
出特性曲线中的A点。此时沟道 中的电流为可能的最大的电流， 称为饱和漏极电流，记作IDSS 。
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（3.3) UGS =0伏、UDS继续增加
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当电压源UDS增加时，可以近似认为漏极电流不随UDS 的增加而增加。此时的电流仍然是IDSS，JFET管的状 态称为恒流状态（放大状态、饱和状态）。 此时场效应管可当作电压控制器件用来组成放大电路。
电压源VDS的作用使导电沟道有电流流通，电流的流 通使导电沟道从漏极到源极有电位降 （3.1）电压源VDS的值较小
导电沟道在靠近源极的一边较宽，导电沟道在靠近漏极的一边 较窄，呈现楔型，此时导电沟道的电阻近似认为与平行等宽时 的一样。对应特性曲线的可变电阻区
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（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0 （3.2）电压源VDS的值增加使 VGD=VGS－VDS =VT
• 二是当作电压控制器件用来组成放大电路，VGS电压控制漏极 电流的大小，控制比例系数为gm ,VGS电压的绝对值越大，漏极电 流越小，管子工作在恒流区（放大区、饱和区），此时导电沟道 已经出现预夹断，夹断区域向漏极方向延伸，但是仍然留存一部 分导电沟道；
• 三是在数字电路中用做开关元件，管子工作在可变电阻区和截 止区，有两个明确、稳定的状态。漏极和源极相当于开关的两个 触点，在可变电阻区，相当于开关闭合，在截止区，相当于开关 断开，场效应管相当于一个无触点的开关。
P沟道增强型MOS场效应管结构
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二、 N沟道增强型MOS的工作原理
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按照如下的思路来讲解： （1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0； （2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0； （3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为0； （4）电压源VGS和电压源VDS同时起作用。
导电沟道从漏极到源极平行等宽。 最宽 这时导电沟道的电阻记为R1。
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（2） 在UDS =0伏的前提下： │ UGS │从0伏逐渐增加过程中，JFET的工作状态
（2.1）UDS =0伏：│UGS│逐渐增加UGS = -1伏
UGS 给 PN 结 施 加 的 是 一个反偏电压
此时导电沟道从漏极到 源极平行等宽
导电沟道在靠近漏极的一点刚 开始出现夹断，称为预夹断。
此时的漏极电流ID 基本饱和。
iD(mA)
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vDS(V)
（3.3）电压源VDS的值增加使 VGD=VGS－VDS ＜VT
导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的饱和区，
VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋
在给出各种情况下的MOS场效应管的工作状态时，同时 画出对应的输出特性曲线。
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（1）电压源VGS和电压源VDS都不起作用，电压值均为0；
当VGS=0V ，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结
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（2）只有电压源VGS起作用，电压源VDS的电压值为0；
（2.1） 当VDS=0V，VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但
• 一 N沟道增强型MOS场效应管结构 • 二 N沟道增强型MOS的工作原理 • 三 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
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一、N沟道增强型MOS场效应管结构
源极S→发射极E
绝缘栅极G→基极B 漏极D→集电极C
2020/6/13 衬底B
电极—金属 绝缘层—氧化物
基体—半导体 因此称之为MOS管
1.4 场效应管 1.4.1 结型场效应管的结构和工作原理 1.4.2 绝缘栅场效应管的结构和工作原理
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• 1-14 • 1-15 • 1-16
作业
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第一节 场效应管概述
• 场效应管出现的历史背景 • 场效应管的用途 • 场效应管的学习方法 • 场效应管的分类
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(4.1) UGS = -1伏、UDS的值比较小时
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导电沟道不再是上下平行等宽， 而是上窄下宽。近似地认为导 电沟道的电阻均为R2，导电沟 道呈现线性电阻的性质。
(4.2)UGS = -1伏、UDS的值增加至某值开始出现预夹断
如 图 所 示 ， 当 UDS 的 值 增 加 至 某 值（此值比│Up│小）时，两边的 PN结在靠近漏极的某点最先相接， 导电沟道被预夹断,在此点有 │ UGS│+UDS =│Up│ 。 JFET 的 状 态对应输出特性曲线中的M点。 M 点 对 应 的 UDS 值 比 A 点 对 应 的 UDS 值 小 ， 因 为 UDS=│Up││UGS│<│Up│。
于不变。
iD(mA)
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vDS(V)
三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲
线
增强型MOS管
输出特性曲线
转移特性曲线
iD=f(vDS)vGS=C
iD=f(vGS)vDS=C
iD(mA)
vDS(V)
vGS/V
当vGS变化时恒，流RO区N(饱和区)： 将随之变化，vG因S一此定时，iD基本
iD
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第二节 结型场效应管(JFET)的 结构和工作原理
一、结型场效应管的结构
二、结型场效应管的工作原理
三、结型场效应管的特性曲线 及参数
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二、结型场效应管（JFET)的工作原理
参考方向做如下约定:
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按照如下的思路来讲解：
（1）电压源UGS和电压源UDS都不起作用，电压值均为0； （2）只有电压源UGS起作用，电压源UDS的电压值为0； （3）只有电压源UDS起作用，电压源UGS的电压值为0； （4）电压源UGS和电压源UDS同时起作用。
UDS（sat） ≤│Up│。
JFET的三个状态
• 恒流区（放大区、饱和区） • 可变电阻区 • 截止区
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ห้องสมุดไป่ตู้ 小结
• 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。
• 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vGS控制。
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（2.3） UDS =0伏:│UGS│继续增加，结型场效应管进 入击穿状态
UGS 增加使PN结上的反偏电压超过U（BR）DS时， 结型场效应管将进入击穿状态。
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（3） 在UGS =0伏的前提下，分别讨论UDS 由小变大的 过程中JFET的几种工作状态
（3.1 ） UGS =0伏:UDS的值比较小时 UDS 给 PN 结 施 加 的 是 一 个 反偏电压
• JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制， 来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。
• 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于 饱和。
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思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？
场效应管的应用小结
• 一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用， VGS的绝对值 越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压 V电G阻S控使制用电时阻，的导大电小沟，道管还子没工有作出在现可预变夹电断阻；区，当作压控可变
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（3.4) UGS =0伏、UDS继续增加至U（BR）DS
PN结上的反偏电压超过 某值时，结型场效应管 将进入击穿状态，如图 中的B点所示。此时的 UDS值为最大漏源电压 ， 记为U（BR）DS 。
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(4) 在UGS = -1伏（即│UGS│<│Up│的某个值）的前提 下 ， 当UDS 由小变大时，JFET的状态
场效应管出现的历史背景
• 1947年贝尔实验室的科学家发明的双极型三极 管代替了真空管，解决了当时电话信号传输中 的放大问题。但是这种放大电路的输入电阻还 不够大，性能还不够好。因此，贝尔实验室的 科学家继续研究新型的三极管，在1960年发明 了场效应管。场效应管的输入电阻比双极型三 极管要大得多,场效应管的工作原理与双极型三 极管不同。
(5) 当UGS≤ UP时，JFET处于截止状态
当UGS≤ UP时，导电沟道全部被夹断，JFET处于截止状态，在 数字电路中作为开关元件的一个状态,对应于开关断开。
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不同UGS下预夹断点相连成一 条曲线，此曲线与纵轴相夹的 区域称为可变电阻区。此时场 效应管当作压控可变电阻，即 非线性电阻来使用。可变电阻 区在数字电路中作为开关元件 的一个状态，相当于开关闭合， 此时的UDS记为UDS（sat） ，
负离子不能导电。
（2.2） 当VDS=0V，当VGS=VT时，在P型衬底表面形成一层电子 层，形成N型导电沟道
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（2.3） 当VDS=0V，VGS>VT时, 沟道加厚
开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管
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（3）只有电压源VDS起作用，电压源VGS的电压值为大 于开启电压的某值
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