1.4 场效应管,场效应管的结构和原理,4.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管与晶体管的区别,场效应管分类：,MOSFET,(IGFET),JFET,FET,符号,1.4.1 结型场效应管Junction Field Effect Transistor,结构,图 1.4.1 N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,分类：N沟道和P沟道,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,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。,一、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1. 当UDS = 0 时， uGS 对导电沟道的控制作用,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off) 也可用UP表示,(动画）,2. 当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时, uDS 对漏极电流iD的影响。,uGS = 0，uGD UGS（Off) ，iD 较大。,uGS UGS（Off) ，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGD uGS uDS,uGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断,uGS 0 ,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变,(1) 改变 uGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 iD ，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 反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),(动画）,3.当uGD uGS(off) 时（预夹断之后）， uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,在uGD uGS uDS uGS(off)情况下, 即当uDS uGS -uGS(off) )(即gd间未出现夹断)时，对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻，iDuDS 。,(2)当uDS使uGD uGS(off)时，d-s之间预夹断。,(3)当uDS使uGD uGS-UGS（OFF）产生预夹断后（指|uGD|UGS（OFF）|）的区域。,图中预夹断线的右边区域为恒流区。该区域内各曲线近似为一组横轴的平行线。,固定uGS，uDS由夹断点开始增加，夹断区增加，沟道电阻增加。,iD基本不变。iD与uDS无关，具有恒流特性,这个区域也被称为恒流区。,，iD基本不变。iD与uDS无关，,恒流区特点：,从图1.4.5输出特性上看：,恒流区相当于三极管的放大区，JFET放大器工作在恒流区。,图1.4.5 场效应管的输出特性,不论uDS多大，只要uGS变化，iD就变，uGS控制iD，iD与UDS无关，因而可将iD近似为电压uGS控制的电流源。,iD与uDS无关，受谁控制呢？iD受uGS控制 。, 夹断区,当uGS UGS（th）工作；,耗尽型： 均能工作。,增强型:,耗尽型：,绝缘栅型场效应管符号,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图1.4.7 N 沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,MOSFET结构（动画）,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 工作原理,绝缘栅场效应管利用uGS 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 iD。,2.工作原理分析,(1)uGS = 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) uDS = 0，0 uGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 iD 。,b. uDS= uGS UT， uGD = UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. uDS uGS UT， uGD UT,(b) uGD = UT,(c) uGD uGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD 。 此时， 可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,Mos增强型场效应管工作原理（动画）,3. 特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,uGS UT 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,图 1.4.10 (a),图 1.4.10 (b),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”。即使 uGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,uGS = 0，uDS 0，产生较大的漏极电流；,uGS 0； UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N 沟道耗尽型MOSFET,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,（N沟道）,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th) 0当UGS UGS(th) ， 漏-源之间应加负电源电压 管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制， 漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大， 可制成大功率管。,各类场效应管的符号和特性曲线,是指在uDS为一常量时，使iD大于零所需的最小|UGS|值。手册中给出的是在iD为规定的微小电流(如5mA)时的uGS。UGS（th）是增强型MOS管的参数。,