《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，利用电场效应控制电流的三极管，称为场效应管，也称为单极三极管。

场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管。

特点:单极性装置(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单，集成方便，功耗小，体积小；成本低。

结型场效应管

一、结构

N沟场效应管结构图

在漏极和源极之间加一个正电压，N大多数载流子电子型半导体都能导电。

导电沟为N型，称为N沟结型场效应管。

P沟场效应管结构图

P沟场效应管是在P型硅棒两侧制成高掺杂的N型区域(N+)导电沟为P型，大部分载流子为空穴。

二、工作原理

N沟通结型场效应改变U(GS)大小来控制漏极电流I(D)的。

将反向电压添加到栅极和源极之间，耗尽层会变宽，导电沟的宽度会降低，增加沟本身的电阻值和泄漏电流I(D)减少，反之，漏极I(D)增加电流。

耗尽层的宽度变化主要在沟区。

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

2.在泄漏极间加正向V(DD),使U(DS)>0.在网源之间加载电源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I(D)，所称场效应管；

(2)结型场效应管栅源之间的反向偏置电压PN因此，场效应管的输入电阻非常高。

三、特征曲线

1.转移曲线（N以沟通结型场效应管为例)

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

当网源之间的电压U(GS)漏极电流不变I(D)电压与漏源之间U(DS)的关系，即

还有三个区域：可变电阻区、恒流区和击穿区。

场效应管的两组特征曲线相互连接，相应的转移特征可以通过作图的方法获得。

管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达10^7Ω以上。若要获得较高的输入电阻，可采用绝缘型场效应管。

绝缘格栅场效应管

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MOS场效应管。

特点：输入电阻可达10^9Ω以上。

U(GS)=0时泄漏之间存在导电沟称耗尽场效应管；

U(GS)=导电沟称为增强电沟称为增强场效应管。

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)控制感应电荷的数量，改变这些感应电荷形成的导电沟的状态，以控制漏极电流I(D)。

工作原理分析

（1）U(GS)=0

漏源相当于两个背靠背PN结，无论漏源之间加入什么极性电压，总是不导电。

（2）U(DS)=0,0

P靠近衬底的电子被吸引SIO2负离子组成的耗尽层与空穴复合。U(GS)耗尽层变宽。

（3）U(DS)=0,U(GS)>=U(T)

因为吸引了足够的电子，所以会耗尽曾和SIO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟。U(GS)升高，N沟通变宽U(DS)=0,所以I(D)=0。

U(T)开始形成反形层所需的U(GS)，称开启电压。

（4）U(DS)对导电沟的影响（U(GS)>U(T))

a.U(DS)T(T)

导电沟呈楔形。漏极形成电流I(D)。

b.U(DS)=U(GS)-U(T),U(GD)=U(T)

靠近漏极沟达到临界开启程度，出现预夹断。

c.U(DS)>U(GS)-U(T),U(GD)

夹断区的沟道电阻很大，U(DS)当导电沟两端的电压逐渐增加时，电压基本保持不变，I(D)所以基本不变。

、

3.特性曲线

（a）转移特性

U(GS)

U(GS)>=U(T),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。