4 场效应半导体三极管

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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


绝增
缘 栅
强 型
场P
效沟
应道 管增


图4.8 各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗
绝尽 缘型

场P 效沟 应道 管耗
尽 型
N



结尽 型型



P 沟
管道



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
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