4 场效应半导体三极管

② 夹断电压UGS(off) (或UP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UGS(off) 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UGS=0时所对应的漏极 电流。
④ 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于
结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于 绝缘栅型场效应三极管, RGS约是109～1015Ω。
2.特性曲线
4.5 N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线（a）转移特性（b）输出特性 于是N沟道耗尽型MOSFET在恒流区的漏极电流公式为：
4.1.3 P沟道MOSFET
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流 子不同，供电电压极性不同而已。这如 同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
Av
Vo Vi
⑤ 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，
这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特 性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。
⑥ 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型
三极管的PCM相当。
(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。例如,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。
动画4-1
2.工作原理
⑴当UGS=0V时，漏源之间相 当两个背靠背的 二极管，在 D、S之间加上电压不会在D 、S间形成电流。
⑵ 当UGS≥UGS（th）时，漏源电压uDS对漏极电流iD 的控制作用
反型层 当uDS =0，加uGS，SiO2 绝缘层中形成电场，吸引电 子，形成电子层，排斥空穴 形成耗尽层。因电子层与P 型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层（感生 沟道）。
③输出电阻 计算输出电阻的原则与其它组态相同，
将图4.19改画为图4.22。
例4.3.3 共栅组态基本放大电路
共栅组态放大电路如图4.23所示，其微变等 效电路如图4.24所示。
图 4.23共栅组态放大电路 图 4.24微变等效电路
图 4.23共栅组态放大电路 图 4.24微变等效电路
(2)交流分析
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。
几种常用的场效应三极管的主要参数见表 04.02。
表04.02 场效应三极管的参数
参数 型号 3DJ2D 3DJ7E 3DJ15H 3DO2E CS11C
PDM mW
电极，
图4.1 N沟道增强型MOSFET结构和符号
一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的
绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为
衬底，用符号B表示
电极D(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极； G(Gate)称为栅极，相当于的基极； S(Source)称为源极，相当于发射极。
从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应三极管JFET
(Junction type Field Effect Transister)
2.金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）
金属-氧化物-半导体场效应三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET） 结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister)。
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。 gm 的量纲为 mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下
gm=ID/UGS uDS=const (单位mS)
4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
• 1.结构、符号和工作原理
N沟道耗尽型MOSFET与N沟道增强型MOSFET的不同处是在 SiO2 薄膜绝缘层中掺有大量的正离子，见图4.4（a），因此，N沟 道耗尽型MOSFET即使在uGS=0时，仍会感应出反型层，形成N沟 道，当加uDS，则产生iD。
(a) 漏极输出特性曲线
(b) 转移特性曲线
图4.2 N沟道结型场效应三极管的特性曲线
动画4-6
动画4-7
4.1.5 各种FET的特性及使用注意事项
1 六种FET的共同特点： ⑴ 栅极电流 iG = 0 ⑵ 只有一种载流子参与导电，N沟道的导电载流子
是电子，而P沟道的导电载流子是空穴。而BJT有 两种载流子参与导电。 ⑶ 均是用输入电压控制输出电流的半导体器，直流 输入电阻很高。 ⑷ 制造工艺简单、成本低、功耗小、便于集成。 ⑸ N沟道的三种FET其工作电压uDS＞0，P沟道的三 种FET其工作电压uDS＜0。
R(1/ gm )
R
Av③①②R(i电1输输VV)与压直oi出入VI共放流ii电电源大分阻阻组g倍析m态V数VRg放gss R(VV大Rgoggs≈d电s mR/路/VdRg相sL )同。R1gRm1(g(R1m/dg/m/)RRL/()R/ g/ 1gmgm )mR1'L
交流参数归纳如下
①电压放大倍数
沟道将变窄，iD将减小，UGS继续减小，沟道继续变 窄，iD继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应 的栅源电压UGS称为夹断电压UP。 这一过程见动画4-5。
UGS对沟道的控制作用（动画4-5 ）
3、结型场效应三极管的特性曲线
JFET的特性曲线有两条，一是转移 特性曲线，二是输出特性曲线。 结型场效应三极管的栅源电压：P沟道的 为正N沟道为负。 JFET的特性曲线如图4.2所示。
4.1.1N沟道增强型MOSFET
1.结构、符号
N沟道增强型MOSFET的结构示意图 和符号见图4.1。
图4.1 N沟道增强型MOSFET结构和符号
根据图4.1， N沟道增强
型MOSFET基本上是一种左右
对称的拓扑结构，它是在P型半
导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘 层，然后用光刻工艺扩散两个
高掺杂的N型区，从N型区引出
① 漏源电压对沟道的控制作用
夹断电压Uth(off) UDS=0，在栅源加电压，且uGS逐渐增加，栅极与沟道间的耗尽层 随之增厚，当耗尽层接触（沟道夹断）时的UGS称夹断电压UGS(off) （ UGS(off) ＜0）。
在栅极加上电压，且UGS ＜0 ，若漏源电压UDS从零开始增加， 则UGD=UGS-UDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变 窄，从左至右呈楔形分布。
半导体三极管图片
4.3 FET放大电路的分析方法
• 4.3.1 FET的交流小信号线性化模型 • 4.3.2 FET放大电路分析
Байду номын сангаас
4.3.1 FET的交流小信号线性化模型
例4.3.1共源组态基本放大电路
(a)采用结型场效应管 (b)采用绝缘栅场效应管 图 4.15 共源组态接法基本放大电路
对于采用场效应三极管的共源基本放大 电路，可以与共射组态接法的基本放大电路 相对应比较，只不过场效应三极管是电压控 制电流源，即VCCS。
2 六种FET的不同特点：
N
沟
道
绝增
缘 栅
强 型
场P
效沟
应道 管增
强
型
图4.8 各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗
绝尽 缘型
栅
场P 效沟 应道 管耗
尽 型
N
沟
道
耗
结尽 型型
场
效
应
P 沟
管道
耗
尽
型
4.2 场效应三极管的参数
(1) 场效应三极管的参数
① 开启电压UGS(th) (或UT) 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。
4.1.4 结型场效应三极管
1、结型场效应三极管的结构 （1）N沟道： 它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN
结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。 一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极， 一端是源极。
结型场效应三极管的结构(动画4-4）
（2）P沟道
2、 结型场效应三极管的工作原理
根据结型场效应三极管的结构， PN结只能工作在反偏的条件下，对 于N沟道结型场效应三极管只能工作 在负栅压区，P沟道的只能工作在正 栅压区，否则将会出现栅流。现以N 沟道为例说明其工作原理。
第四章 场效应三极管及其放大电路
(FET----Field Effect Transister )
制作: 戈素贞
场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与 导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出 电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划 分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件。
当UDS增加到使UGD=UGS-UDS= UGS(off) 时，在紧靠漏极处出现 预夹断。当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延 长。 漏源电压对沟道的控制作用（动画4-5）
②栅源电压对沟道的控制作用
当UDS=Const时，加UGS＜0， PN结反偏，形成耗
尽层，︱UGS ︱减小（反向增加）时，漏、源间的
3．特性曲线
（1）输出特性曲线
截止区
漏极输出特性曲线
(动画4-3）
• 可变电阻区（线性电阻区）
•截止区
当UGS＜UGS（th）,导电沟道没有形成，iD=0，为截止工作状态。
• 恒流区（饱和区或放大区）
② 转移特性曲线
转移特性曲线是指UDS一定时，uGS对iD 的影响，即iD=f(uGS)UDS=const。
和交流通道是一样的。
(2)交流分析
画出图4.15电路的微变等效电路，如图 4.17所示。
③输出电阻 为计算放大电路的输出电阻，可按双口网 络计算原则将放大电路画成图4.17的形式。
将负载电阻RL开路，并想象在输出端加 一个电源 , 将输入电压信号源短路，但保 留内阻。然后计算 ，于是
例4.3.2 共漏组态基本放大电路
(1)直流分析
将共源基本放大电路的直流通道画出,如图
4.16所示。
图中Rg1、Rg2是栅极偏置
电阻，Rs是源极电阻，Rd是
漏极负载电阻。与共射基本
放大电路的Rb1、Rb2，Re和 Rc分别一一对应。而且只要 结型场效应管栅源间PN结
4.16 共源基本放大 电路的直流通道
是反偏工作，无栅流，那么 JFET和MOSFET的直流通道
其直流工作状态和动态分析如下。
(2)交流分析 将图4.13的CD放大电路的微变等效电
路画出，如图4.14所示。
图4.21 共漏放大电路的微变等效电路
①电压放大倍数
比 式②较 ，输A共 分v入源 子电VV都和o阻i 是共RVg漏igms组RgRm'L态Vgg，mg放sV(分(rgR大sds(母gr/1电d/s对/R//路/R/共R/g的R2源/)/L电R)放L压)大放电1大路g倍mg是Rm数R'1L，'公L A对v 为共正漏，放表大示式电输 中入R路L与是输r(ds1出/+/ 同Rg/相m/ RR，L'L当)R。g/m/RR'LL。>>1 时，Av ≈1。
开启电压UGS（th） 加 uDS ，能够形成漏极电流的最小UGS，为
开启电压UGS（th）
(动画4-2)
②当UGS≥UGS（th）时，uDS对iD的控制作用
当栅源电压为UGS＞ UGS（th）且固定为某一值时。 0A段：加uDS＞0，沿沟道由漏极D到源极S
有电压降落，那么删极G与沟道之间的电 压不再均等，栅漏之间的电压最小为uGD ＝ UGS－ uDS，感生沟道不再均匀,而呈现 楔形,如图4.2（c），但由于导电沟道的存 在, iD 随uDS的增加线性增加。
100 100 100 100 100
IDSS mA
<0.35
<1.2 6～11 0.35～1.2 0.3～1
VRDS VRGS
V
V
>20 >20
>20 >20
>20 >20
>12 >25
-25
VP
gm
V mA/ V
-4 ≥2 -4 ≥3 -5.5 ≥8
-4 ≥2
fM MHz 300
90
1000
半导体三极管图片
4.1半导体场效应管
4.1.1 N沟道增强型MOSFET 4.1.2 N沟道增强型MOSFET 4.1.3 P沟道MOSFET 4.1.4 JFET场效应三极管放大电路 4.1.5 各种场效应型三极管性能比较
4.2 FET的主要参数 4.3 FET放大电路分析 4.4 FET三极管的应用实例
4.1 半导体场效应管