第4讲 场效应管

MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、 P沟道耗尽型管和P沟道增强型管。 MOS管的特点 输入阻抗高、栅源电压可正可负、 耐高温、易集成。
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1 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
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哈尔滨工程大学P· Leabharlann FETP· JFET的特性曲线
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N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
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二、绝缘栅场效应管（MOS管）
绝缘栅型场效应管的栅极 与源极、栅极与漏极之间均 采用SiO2绝缘层隔离，栅极为 金属铝，故又称为MOS管。
U GS I D I D0 ( 1)2 U GS (th )
ID0是UGS 2UGS th 时的ID值。
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增强型NMOS管的特性曲线
(a)转移特性
(b)输出特性；
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*3 P沟道绝缘栅场效应管(PMOS管) 增强型PMOS管的结构示意图
UGS off UGS 0
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四、场效应管和双极型三极管的比较
1 场效应管是电压控制元件，而双极型三极管则是电流 控制元件。 2 场效应管是利用多数载流子导电(例如N型硅中的自由 电子)，而双极型三极管既利用多数载流子又利用少数载流 子。
3 场效应管的噪声系数比三极管要小。 4 有些场效应管的源极和漏极可以互换。
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三、场效应管的主要参数
1 直流参数 (1)夹断电压 UGS off 是指当ID≈0时对应的UGS值。适 用于J型管及耗尽型的MOS管。约有几伏数量级。 (2)开启电压 UGS th 指当UDS=C时，使D—S极连接起 来所需要的最小UGS值。适用于增强型MOS管。对耗 尽型管，其夹断电压就是它的开启电压。 (3)饱和漏电流 I DSS 指UGS=0，UDS＞UGS(off)时的沟道 电流。适用于耗尽型管。 (4)直流输入电阻 RGS 指当UDS=0时，UGS与栅极电流 的比值。对于J型管，在107Ω至109Ω；对MOS管一 般可达1012Ω至1015Ω。 (5)击穿电压 ①U(BR)DS指在漏极特性中使ID开始剧增的UDS值； ②U(BR)GS对J型管，使反向饱和电流开始剧增时所对应 的UGS值。对MOS管，使SiO2绝缘层击穿的UGS值。
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（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响
控制原理分四种情况讨论： ① uGS 0 时，N沟道已经存在，因此 i D 不为零， 仍记以IDSS，但不是最大值。（耗尽型原因）
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（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响
② uGS 0 时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有 的正电荷数目增加，由于静电感应，N沟道中的电子随之作 同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减小，漏电流成指数 规律的增加。
U DS C
②在转移特性上求gm
gm I D U GS tan
U DS C
③用计算法求gm
gm UGS 2 dI D d [ I DSS (1 ) ] dU GS dU GS U GS (off )

2I DSS UGS [1 ] UGS ( off ) UGS ( off )
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（3）特性曲线及工作原理
①转移特性 (a) uGS 0 时 (b) uGS 0 时 (c) uGS 0 时 (d) uGS UGS off ②漏极特性
(a)转移特性； (b)漏极特性
u DS 对N沟道也有楔形影 MOS管的漏极特性与J型管类似。
响。 u DS 越大，N沟道的楔形程度越严重。 u DS 一定，楔形一定。
I D I DSS (1 U GS ( off ) )
UGS off UGS 0V
③当 UGS UGS off 时，N沟道被夹断，ID≈0，管子截止。
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N· JFET的特性曲线
（2）漏极特性
I D f U DS
U GS C
漏极特性与BJT管的输出特性相仿，也分为三个区 可变电阻区、 饱和区、 击穿区
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第四节
场效应晶体管(FET) 单极型晶体管
场效应管(FET)是利用电场效应来控制电流的一种半 导体器件，属于压控器件。由于它仅靠多子参加导电，又 称单极型晶体管。 场效应管的特点： 输入阻抗高、温度稳定性好、低噪声、易集成化 分类：结型(JFET)和绝缘栅型(MOS)
一、结型场效应管(JFET)
uGS 从正到负，即漏极特 改变 uGS 大小可改变N沟道的宽窄度，
性曲线由上而下，反映 uGS 对 i D的控制作用。
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*2 N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点 在N沟道的形成上有所不同，增强型管子的N沟道只当外 加电场uGS＞0时才能存在，而当uGS=0时，N沟道就不存在了。
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练习:
绝缘栅型场效应管漏极特性曲线如图题115(a)～(d)所示。 P55 1-15 (1)说明图(a)～(d)曲线对应何种类型的场效 应管。 (2)根据图中曲线标定值确定UGS(th)、UGS(off) 和ＩDSS数值。
增强型NMOS
耗尽型PMOS
5 场效应管能在很小的电流、很低的电压条件下工作。 6 场效应管的工作频率较低，不适合高频运用。
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练习: P56 1-19
测得半导体三极管及场效应管三个电极对地的电 位如图题1-19所示，试判断下列器件的工作状 态。
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练习:
1-7 回答问题 (1)与BJT相比，FET具有哪些基本特点? P53 1-7 (3)图题1-7(a)、(b)、(c)分别为三只场效应 管的特性曲线，指出它们各属于哪种类型的 管子(结型、绝缘栅型；增强型、耗尽型；N 沟道、P沟道)。
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（2）工作原理 N沟道增强型MOS管导电沟道的形成
(a) 0＜UGS＜UGS(th)出现耗尽层
(b) UGS＞UGS(th)出现N型沟道
开启电压 UGS th 是指在 U DS 为常量情况下，使 i D大于零所需要的最小 uGS 值。
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（3）特性曲线 输出特性上也分为可变电阻区、饱和区、夹断区和击穿区。 ID与UGS之间的关系:
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
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（2）工作原理 N· JFET的结构及符号 在同一块N型半导体上制 作两个高掺杂的P区，并 将它们连接在一起，引出 的电极称为栅极G，N型 半导体的两端引出两个电 极，一个称为漏极D，一 个称为源极S。P区与N区 交界面形成耗尽层，漏极 和源极间的非耗尽层区域 称为导电沟道。
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u DS 决定耗尽层的楔形程度。 ②当uGS固定时， 若 uDS 0，电流 i D 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与 栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大， 造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。
UGS (off ) uGS 0且 uDS 0
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③UDS、UGS同时作用
两个电场同时作用时，N沟道在耗尽层楔形基础 上，随UGS作宽窄度变化，从而控制ID的大小。
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2
结型场效应管的特性曲线
I D f U GS
（1）转移特性及特征方程
U DS C
①当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大 饱和漏电流。 ②当UGS＜0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降， 其特征方程为 U GS 2
两个PN结之间的N沟道
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工作原理
①UDS决定耗尽层的楔形程度 ②UGS决定沟道的宽窄度 ③UDS、UGS同时作用
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结型场效应管的工作原理
u GS 控制导电沟道的宽窄。 ①当 uDS 0 （即 d、s 短路）时，
uDS 0
时， uGS 对导电沟道的控制作用
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③ uGS 0 时，来源于外电场负极上的负电荷抵消一部分 SiO2中原有的正电荷，使其数目减少，沟道变窄，沟道电 阻增加，从而漏电流ID成指数规律减小。
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④ uGS UGS (off ) 时，SiO2层中的正电荷全部被负电源中和， N沟道中电子全部消失，也就是说N沟道不存在了，沟道电 阻为无穷大，漏电流iD 0，管子截止(夹断)。 综上所述，MOS管与J型管的导电机理不同。J型管 iD 利用耗尽区的宽窄度控制漏流 ；而MOS管是利用感应电 荷的多少改变导电沟道的性质，从而达到控制i D的目的。
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(a)当uDS 0 且uGS 0 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。 (b)当 uGS 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 (c)当 uGS 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道 电阻趋于无穷大，此时u GS 值为夹断电压 U GS (off ) 。