《模拟电子技术基础》课程笔记(六)——场效应管

场效管

        只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。

场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管。

特点：单极性器件（一种载流子导电）；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小；成本低。

结型场效应管

一、结构

                                 N沟道场效应管结构图

        在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体多数载流子电子可以导电。

        导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。

  

                             P沟道场效应管结构图

        P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N＋），导电沟道为P型，多数载流子为空穴。

二、工作原理

        N沟道结型场效应管用改变U(GS)大小来控制漏极电流I(D)的。

         在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流I(D)减小，反之，漏极I(D)电流将增加。

        耗尽层的宽度改变主要在沟道区。

1.设U(DS)=0,在栅源之间加负电源V(GG),改变V(GG)的大小。观察耗尽层的变化。

 2.在漏源极间加正向V(DD),使U(DS)>0,在栅源间加负电源V(GG)，观察U(GS)变化时耗尽层和漏极I(D)。

 U(GS)=0，U(DG)<,I(D)较大。              U(GS)<0,U(DG)<,I(D)较小。

注意：当U(DS)>0时，耗尽层呈现楔形。

 U(GS)<0,U(DG)=,I(D)更小，预夹断        U(GS)<=U(P),U(DG)>,I(D)≈0，夹断

（1）改变U(GS)，改变了PN结中电场，控制了I(D)，故称场效应管；

（2）结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN结反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。

三、特性曲线

1.转移曲线（N沟道结型场效应管为例）

         U(GS)=0,I(D)最大；

        U(GS)越负，I(D)越小；

        U(GS)=U(P),I(D)≈0；

两个重要参数：

        1.夹断电压U(P)（I(D)=0时的U(GS))

        2.饱和漏极电流I(DSS)     (U(GS)=0时的I(D))

1.转移特性

        结型场效应管转移特性曲线的近似公式：

2.漏极特性

        当栅源之间的电压U(GS)不变时，漏极电流I(D)与漏源之间电压U(DS)的关系，即

 

        漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。

场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可以根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。

         结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达10^7Ω以上。如果希望可以得到更高的输入电阻，可采用绝缘型场效应管。

绝缘栅型场效应管

        由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。

        特点：输入电阻可达10^9Ω以上。

U(GS)=0时漏源之间存在导电沟道称耗尽型场效应管；

U(GS)=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。

一、N沟道增强型MOS场效应管

1.结构

2.工作原理

        绝缘场效应管利用U(GS)来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流I(D)。

        工作原理分析

        （1）U(GS)=0

        漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。

         （2）U(DS)=0,0

        

        P型衬底中的电子被吸引靠近SIO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大U(GS)耗尽层变宽。

        （3）U(DS)=0,U(GS)>=U(T)

        由于吸引了足够多的电子，会在耗尽曾和SIO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟道。U(GS)升高，N沟道变宽。因为U(DS)=0,所以I(D)=0。

        U(T)为开始形成反型层所需的U(GS)，称开启电压。

        （4）U(DS)对导电沟道的影响（U(GS)>U(T))

        

        a.U(DS)T(T)

        导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流I(D)。

        b.U(DS)=U(GS)-U(T),U(GD)=U(T)

        靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。

        c.U(DS)>U(GS)-U(T),U(GD)

        由于夹断区的沟道电阻很大，U(DS)逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，I(D)因而基本不变。

、

 3.特性曲线

（a）转移特性

        U(GS)

        U(GS)>=U(T),形成导电沟道，随着U(GS)的增加，I(D)逐渐增大。

（b）漏极特性

        三个：可变电阻区、恒流区(或饱和区）、击穿区。

 

 二、N沟道耗尽型MOS场效应管

        制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。及时U(GS)=0也会形成N型导电沟道。

        U(GS)=0,U(DS)>0,产生较大的漏极电流；

        U(GS)<0,绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，I(D)减小；

        U(GS)=-U(P),感应电荷被“耗尽”，I(D)≈0.

        U(P)称为夹断电压。

 N沟道耗尽型MOS管特性

工作条件：U(DS)>0,U(GS)正、负、零均可。

（a)转移特性

 （b）漏极特性

 mos管符号：

 场效应管的主要参数

一、直流参数

1.饱和漏极电流I(DSS)

为耗尽型场效应管的一个重要参数。

2.夹断电压U(P)

为耗尽型场效应管的一个重要参数。

3.开启电压U(T)

为增强型场效应管的一个重要参数。

4.直流输入电阻R(GS)

输入电阻很高。结型场效应管一般在10^7Ω以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于10^9Ω。

二、交流参数

1.低频跨导gm

        用以描述栅源之间的电压U(GS)对漏极电流I(D)的控制作用。

 单位：I(D)毫安；U(GS)伏；gm毫西门子（mS）

2.极间电容

        这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括C(GS)、C(GD)、C(DS)。极间电容越小，则管子的高频性能越好。一般为几个皮法。

三、极限参数

1.漏极最大允许耗散功率P(DM)

        由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。

2.漏源击穿电压U(BR)DS

        当漏极电流I(D急剧上升产生雪崩击穿时的U(DS).

3.栅源击穿电压U(BR)GS

        场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若U(GS)>U(BR)GS,PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。