场效应管的区别和原理

绝 缘 栅
增 强 型
N 沟
P 沟
绝 缘 栅
耗 尽 型
N 沟 道 P 沟 道
场效应管放大电路
（1）偏置电路及静态分析
分压式自偏压电路
(1)直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDSS[1－(VGS /VP)]2 VDS= VDD－ID(R+Rd ) 由此可以解出VGS、ID和VDS。
续
V
DS
当VGS＞VT时，衬底中的电子 进一步被吸至栅极下方的P型 衬底表层，使衬底表层中的自 由电子数量大于空穴数量，该 薄层转换为N型半导体，称为 反型层。形成N源区到N漏区
ID
的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启 电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极 电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越 多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。 这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。
场效应管放大电路
场效应管
场效应晶体三极管是由一 种载流子导电的、用输入电压控 制输出电流的半导体器件。从参 与导电的载流子来划分，它有自 由电子导电的N沟道器件和空穴 导电的P沟道器件。
按照场效应三极 管的结构划分，有结 型场效应管和绝缘栅 型场效应管两大类。
结型场效应管
1.结构
2.工作原理
N沟道场效应管工作时， 在栅极与源极之间加负 VGS 电压， < 0 栅极与沟道 之间的PN结为反偏， ≈ 0， iG
V
GS
<VP
(2)漏端沟道予夹断 V DS ≥ V GS −V P
可变电阻区
特点:(1)当vGS 为定值 时,iD 是 vDS 的线性函 数，管子的漏源间呈现 为线性电阻，且其阻值 受 vGS 控制。 （2）管压降vDS 很小。 用途：做压控线性电阻 和无触点的、闭合状态 的电子开关。 条件：源端与漏端 沟道都不夹断
Ri > 107 Ω。
N 沟道 PN结
在漏极、源极之间加 V 正电压，DS > 0使N沟道 中的多数载流子(电子) 在电场的作用下由源极 向漏极运动，形成iD。iD 的大小受VGS的控制。
P沟道场效应管工作
时，极性相反，沟道中
的多子为空穴。
①栅源电压VGS对iD的控制作用 当VGS＜0时，PN结反 偏，耗尽层变厚，沟 道变窄，沟道电阻变 大，ID减小； VGS更负，沟道更 窄，ID更小；直至沟 道被耗尽层全部覆 盖，沟道被夹断， ID≈0。这时所对应的 栅源电压VGS称为夹 断电压VP。
栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用
2 .漏源电压VDS对沟道导电能力的影响
当VGS＞VT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电 压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极 电流ID，当ID从D → S流过沟道时，沿途会产生压降，进而 导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源 极端电压最大，为VGS ，由此感生的沟道最深；离开源极 端，越向漏极端靠近，则栅—沟间的电压线性下降，由它 们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏 间电压最小，其值为： VGD=VGS-VDS , 由 此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作 用下导电沟道的深度是不均匀的，沟 道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直 至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断 A
②转移特性曲线
i
D
= f (VGS ) V
DS
=C
输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制
(ΔiD / ΔvGS )Q = (diD / dvGS )Q = g m (ms )
结型场效应管的特性小结
N 沟 道 耗 尽 型
结 型 场 效 P 应 沟 管 道
耗 尽 型
金属-氧化Fra Baidu bibliotek-半导体场效应管
绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor —— MOSFET 分为 增强型 → N沟道、P沟道 耗尽型 → N沟道、P沟道
双极型三极管与场效应三极管的比较
双极型三极管
结构 与 分类 载流子 输入量 控制 噪声 温度特性 输入电阻 静电影响 集成工艺
场效应三极管
NPN型 结型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 C与E一般不可 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 多子扩散少子漂移 多子漂移 电流输入 电压输入 电流控制电流源 电压控制电流源 较大 较小 受温度影响较大 较小，且有零温度系数点 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 不受静电影响 易受静电影响 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成
2. 夹断电压VP
4. 输入电阻RGS
结型场效应三极管，反偏时RGS约大于 107Ω；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～ 1015Ω。 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作
5. 低频跨导gm
用， gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS
(毫西门子)。
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。
6.最大漏极功耗PDM
(2) 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一 是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场 效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟 道。如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应 管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同 一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。
V
V
DS
GS
<VP
< V GS −V P
夹断区 特点：i ≈ 0 用途：做无触点的、 接通状态的电子开关。
D
条件：整个沟道都夹断
V
GS
≥ VP
击穿区 当漏源电压增大到 V = V 时，漏端PN结 发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为
DS ( BR ) DS
（20— 50）V之间。由于VGD=VGS-VDS, 故vGS越 负，对应的VP就越小。管子不能在击穿区工作。
JFET工作原理
（动画2-9)
3.伏安特性曲线 ①输出特性曲线 iD = f (VDS ) V
恒流区：(又称饱和区或放大区） 特点:(1)受控性： 输入电压vGS控
制输出电流
GS
=C
（动画26）
i = I (1− v V ) (2)恒流性：输出电流i 基本上
2 D DSS GS P
D
不受输出电压vDS的影响。 用途:可做放大器和恒流源。 条件:(1)源端沟道未夹断
耗尽型MOSFET的特性曲线
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
场效应三极管的参数和型号
一、 场效应三极管的参数 1. 开启电压VT 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小 于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏 极 电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏 极电流。
当VDS增加到使VGD<VT时，预 夹断点向源极端延伸成小的夹 断区。由于预夹断区呈现高 阻，而未夹断沟道部分为低 阻，因此， VDS增加的部分基本 上降落在该夹断区内，而沟道 中的电场力基本不变，漂移电 流基本不变，所以，从漏端沟 道出现预夹断点开始， ID基本 不随VDS增加而变化。
增强型MOSFET的工作原理
v i 耗尽型： GS = 0时， 存在导电沟道，D ≠ 0。 v i 增强型： GS = 0时， 没有导电沟道， D = 0。
N沟道 P沟道 增强型
N沟道 P沟道 耗尽型
N沟道增强型场效应管
N沟道增强型场效应管的工作原理
1. 栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间 被两个背靠背的 PN结隔离，因 此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。 当 0＜VGS＜VT (开启电压)时， 通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底 表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的 自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结 果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍 无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。
2
(VP ≤ vGS ≤ 0)
增强型MOS管特性小结
N 沟 道 绝 增 缘 强 型
栅 场 效 应 管
P 沟 道 增 强 型
耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入 了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏 源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使 用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极 电流。当VGS＞0 时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS 的 减小ID 逐渐减小，直至 ID=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。
MOSFET的特性曲线
1.漏极输出特性曲线
V
DS
=
V
GS
−V
T
2.转移特性曲线— VGS对ID的控制特性
ID=f(VGS)⏐VDS=常数
转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 其量纲为mA/V，称gm为 跨导。 gm=ΔID/ΔVGS⏐Q （mS)
⎛ vGS 2 I DSS ⎜1 − ⎜ V P ⎝ gm = − VP ⎞ ⎟ ⎟ ⎠
直流通道
小信号分析法
低频模型
高频模型
(2)交流分析 ①电压放大倍数
Vi = Vgs + g m Vgs R ′ Vo = − g m Vgs RL
•
•
•
•
= Vgs (1 + g m R)
•
•
′ RL = Rd // RL
& Vo g m R 'L &= Av =− & Vi 1+ gm R
②输入电阻 Ri = Rg3 + ( Rg1 // Rg2 ) ③输出电阻 Ro ≈ Rd
当VDS为0或较 小时，VGD＞ VT，此时VDS 基 本均匀降落在沟 道中，沟道呈斜 线分布。
当VDS增加到使 VGD=VT时，漏极处沟道 将缩减到刚刚开启的情 况，称为预夹断。源区 的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟 道向漏端漂移，一旦到 达预夹断区的边界处， 就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏 极电流。
②漏源电压VDS对iD的影响
在栅源间加电压VGS＞VP，漏 源间加电压VDS。则因漏端耗尽 层所受的反偏电压为VGD=VGSVDS，比源端耗尽层所受的反偏电 压VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电 压为-5V，源端耗尽层受反偏电 压为-2V),使靠近漏端的耗尽层 比源端厚，沟道比源端窄，故 当VDS继续增加时，预夹断点向源 VDS对沟道的影响是不均匀的， 极方向伸长为预夹断区。由于预夹 使沟道呈楔形。 断区电阻很大，使VDS降落在该 随VDS增大，这种不均匀 区，由此产生的强电场力把未夹断 性越明显。当VDS增加到使 区边界上的载流子都扫至漏极，形 VGD=VGS-VDS =VP 时，在紧 成漏极饱和电流。 靠漏极处出现预夹断点。
小信号等效电路