4场效应管.docx

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4场效应管

一、复习引入

三极管是电流控制型器件，使用时信号源必须提供一定的电流，因此输入电阻较低，一般在几百～几千欧左右。

场效应管是一种由输入电压控制其输出电流大小的半导体器件，所以是电压控制型器件；使用时不需要信号源提供电流，因此输入电阻很高（最高可达1015Ω），这是场效应最突出的优点；此外，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低优点，因此得到了广泛的应用。

按结构的不同，场效应管可分为绝缘栅型场效管（IGFET）和结型场效应管（JFET）两大类，它们都只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故又称为单极型三极管。

二、新授

（一）N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET

1．结构和符号

图1（a）是N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在P型衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的N区，并用金属铝在两个N区分别引出电极，分别作为源极s和漏极d；然后在P型硅片表面覆盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在漏源极之间的绝缘层上再喷一层金属铝作为栅极g，另外在衬底引出衬底引线B（它通常在管内与源极s相连接）。

可见这种管子的栅极与源极、漏极是绝缘的，故称绝缘栅场效应管。

这种管子由金属、氧化物和半导体制成，故称为MOSFET，简称MOS管。

不难理解，P沟道增强型MOS管是在抵掺杂的N型硅片的衬底上扩散两个高掺杂的P区而制成。

（a）N沟道结构示意图（b）N沟道符号（c）P沟道符号

图1N沟道增强型MOS管的结构与符号

图1（b）、（c）分别为N沟道、P沟道增强型MOS管的电路符号。

2．工作原理与特性曲线

以N沟道增强型MOS管为例讨论其工作原理。

（1）工作原理

工作时，N沟道增强型MOS管的栅源电压uGS和漏源电压uDS均为正向电压。

当uGS=0时，漏极与源极之间无导电沟道，是两个背靠的PN结，故即使加上uDS，也无漏极电流，iD=0，如图2（a）

当uGS>0且uDS较小时，在uGS作用下，在栅极下面的二氧化硅层中产生了指向P型衬底，且垂直于衬底的电场，这个电场排斥靠近二氧化硅层的P型衬底中的空穴（多子），同时吸引P型衬底中的电子（少子）向二氧化硅层方向运动。

但由uGS较小，吸引电子的电场不强，只形成耗尽层，在漏、源级间尚无导电沟道出现，iD=0,如图2（b）所示。

若uGS继续增大，则吸引到栅极二氧化硅层下面的电子增多，在栅极附近的P型衬底表面形成一个N型薄层（电子浓度很大），由于它的导电类型与P型衬底相反，故称为反型层，它将两个N区连通，于是在漏、源极间形成了N型导电沟道，这时若有uDS>0，就会有漏极电流iD产生，如图2（c）所示。

开始形成导电沟道时的漏源电压称为开启电压，用UGS（th）表示。

一般情况下，UGS（th）约为几伏。

随着UGS的增大，沟道变宽，沟道电阻减小，漏极电流iD增大，这种uGS=0时没有导电沟道，uGS>UGS（th）后才出现N型导电沟道的MOS管，被称为N沟道增强型MOS管。

导电沟道形成后，当uDS=0时，管内沟道是等宽的。

随着uDS的增加，漏极电流iD沿沟道从漏极流向源极产生电压降，使栅极与沟道内各点的电压不再相等，靠近源极一端电压最大，其值为uGS，靠近漏极一端电压最小，其值为uGD（uGD=uGS-uDS），于是沟道变得不等宽，靠近漏极处最窄，靠近源极处最宽，如图2（c）所示。

当uDS增大到使uGD=uGS-uDS=UGS（th）时，在漏极一端的沟道宽度接近于零，这种情况称为沟道预夹断。

若再增大，夹断区将向源极方向延伸，如图2（d）所示。

（2）特性曲线

（a）uGS=0时没有导电沟道（b）uGS较小时没有导电沟道

（c）uGS>UGS（th）时产生导电沟道（d）uDS较大时出现夹断，iD趋于饱和

图2N沟道增强型MOS管工作图解

场效应管的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线两种。

由于输入电流（栅流）几乎等于零，所以讨论场效应管的输入特性是没有意义的。

场效应管的输出特性又称为漏极特性。

iD与输出电压uDS和输入电压iGS有关，当栅源电压uGS为某一定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系式为输出特性关系式，即

（1-1）

当漏源电压uDS为某一定值时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系式为转移特性关系式，即

（1-2）

N沟道增强型MOS管共源组态的输出特性曲线和转移特性曲线，分别如图3（a）和3（b）所示。

N沟道增强型MOS管的输出特性曲线可分为四个区域；

1）可变电阻区（也称非饱和区）满足uGS>UGS（th）（开启电压），uDS

在该区域uDS值较小，沟道电阻基本上仅受uGS控制。

当uGS一定时，iD与uDS成线性关系，该区域近似为一组直线。

这时场效管D、S间相当于一个受电压uGS控制的可变电阻。

（a）输出特性（b）转移特性

图3N沟道增强型MOS管的特性曲线

2）恒流区（也称饱和区、放大区、有源区）满足UGS≥UGS（th）且UDS≥UGS-UGS（th），为图中预夹断轨迹右边、但尚未击穿的区域，在该区域内，当uGS一定时，iD几乎不随uDS而变化，呈恒流特性。

iD仅受uＧＳ控制，这时场效应管D、S间相当于一个受电压uＧＳ控制的电流源。

场效应管用于放大电路时，一般就工作在该区域，所以也称为放大区。

3）夹断区（也称截止区）满足uGS＜UGS（th）为图中靠近横轴的区域，其沟道被全部夹断，称为全夹断，iＤ＝0，管子不工作。

4）击穿区位于图中右边的区域。

随着uDS的不断增大，PN结因承受太大的反向电压而击穿，iＤ急剧增加。

工作时应避免管子工作在击穿区。

转移特性曲线可以从输出特性曲线上用作图的方法求得。

例如在图3（a）中作uDS＝6V的垂直线，将其与各条曲线的交点对应的iD、uGS值在iD－uGS坐标中连成曲线，即得到转移性曲线，如图3（b）所示。

（二）耗尽型绝缘栅场效应管的结构及其工作原理

1．结构和符号

N沟道耗尽型MOS管的结构示意图和电路符号如图4所示。

它的结构和增强型基本相同，主要区别是：

这类管子在制造时，已经在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，所以在正离子产生的电场作用下，漏、源极间已形成了N型导电沟道（反型层），它的电路符号如图4（b）所示。

P沟道耗尽型FET电路符号如4（c）所示。

2．工作原理

当uＧＳ＝0时，只要加上正向电压uDS，就有iＤ产生。

当uＧＳ由零向正值增大时，则加强了绝缘层中的电场，将吸引更多的电子至衬底表面，使沟道加宽，iD增大。

反之，uＧＳ由零向负值增大时，则削弱了绝缘层中的电场，使沟道变窄，iD减小。

当uGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD=0，管子截止，此时所对应的栅源电压称为夹断电压，用UGS（off）表示。

由上可知，这类管子在uGS=0时，导电沟道就已形成；当uGS由零减小到ＵGS（off）时，沟道逐渐变窄而夹断，故称为耗尽型。

所以增强型与耗尽型场效应管的主要区别，就在于uGS=0时是否有导电沟道。

耗尽型MOS管在uGS<0、uGS>0的情况下都可以工作，这是它的一个重要特点。

耗尽型MOS管在恒流区内的电流iD近似表达式为：

（1-3）

（a）N沟道结构示意图（b）N沟道符号（c）P沟道符号

图4耗尽型MOS管的结构与符号

式（1-3）中ＩDSS是UGS＝0时的漏极电流iD值，ＵＧＳ（off）为夹断电压。

对于Ｎ沟道耗尽型MOS管，当满足uGS>UGS（off）（夹断电压），uDSUGS（off）且uDS>uGS-UGS（off）时工作在恒温区；当满足uGS

P沟道MOS管和N沟道MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，P沟道MOS管是以N型硅作为衬底，而漏极和源极从两个P区引出，形成的导电沟道为P型。

对于P沟道耗尽型MOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，使用时，uGS、uDS的极性与N沟道MOS管相反。

P沟道增强型MOS管的开启电压UＧＳ（th）是负值，而P沟道耗型场效应管的夹断电压UGS（off）是正值。

（三）结型场应管简介

结型场效应管也分为N沟道和P沟道两种，图5所示为结型场效应管结构示意图与电路符号。

（a）N沟道管的结构示意图（b）平面结构示意图（c）N沟道管的电路符号（d）P沟道管的符号

图5　　结型场效应管

N沟道结型场效应管是在一块Ｎ型半导体两侧扩散生成两个掺杂浓度的P区，从而形成两个PN结。

连接两个P区引出一个电极，称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。

两个PN结的耗尽层之间存在一个狭长的由源极到漏极的Ｎ型导电沟道。

可见，结型场效应管属于耗尽型，改变加在PN结两端的反向电压，就可以改变耗尽层的宽度，也就改变了导电沟道的宽窄，从而实现利用电压控制导电沟道的电流。

N沟道结型场效应管正常工作时，栅源之间加反向电压，即uGS<0,使两个PN结反偏，漏源之间加正向电压，即uDS>0，形成漏极电流iD。

对于N沟道结型场效应管，当满足uGS>UGS（off）（夹断电压），uDSUGS（off）且uDS>ugs-UGS（off）时工作在恒流区；当满足uGS

为便于学习和记忆，现把各类场效应管的比较列于表1-2中。

表1－2　　各类场效应管比较表

（四）场效应管的主要参数

1．性能参数

 （１）开启电压UＧＳ（th）和夹断UＧＳ（off）

它指uDS一定时，使漏极电流iD等于某一微小电流时栅、源之间所加的电压uGS，对于增强型MOS管称为开启电压UＧS（th）,对于耗尽型MOS管称为夹断电压UＧＳ（off）。

（２）饱和漏极电流IDSS

它是耗尽型管子的参数，指工作在饱和区的耗尽型场效应管在uGS＝0时的饱和漏极电流。

（３）直流输入电阻RＧＳ

指漏、源极间短路时，栅、源之间所加直流电压与栅极直流电压之比。

一般JFET的RＧＳ>107Ω，而MOS管的RＧＳ>109Ω。

（４）低频跨导（互导）gm

在ＵＤＳ为某定值时，漏极电流iD的变化量和引起它变化的uGS变化量之比，即

（1-18）

gm反映了uGS对iD的控制能力，是表征场效应管放大能力的重要参数，单位为西门子（S），一般为几毫西门子（mS）。

gm的值与管子的工作点有关。

2．极限参数

（１）最大漏极电流IＤＭ

IＤＭ是指管子在工作时允许的最大漏极电流

（２）最大功率PＤＭ

最大耗散功率PＤＭ＝uDSiD，其值受管子的最高工作温度的限制。

（３）漏源击穿电压Ｕ（BR）DS

它是指栅、源极间所能承受的最大电压，即uDS增大到使iD开始急剧上升（管子击穿）时的uDS值。

（４）栅源击穿电压U（BR）GS

它是指栅、源极间所能承受的最大电压。

uGS值超过此值时，栅源间发生击穿。

作业布置：

1、场效管有哪几种类型？

2、场效管与半导体三极管在性能上的主要差别是什么？

在使用场效管时，应注意哪些问题？

3、现有一个结型场效应管和一个半导体三极管混在一起，你能根据两者的特点用万用表把它们分开吗？