模电课件场效应管1.4 1.4 场效效应管管场效效应管（管（FET）是利用）是利用输入回路的入回路的电场效效应来来控制控制输出回路出回路电流的一种半流的一种半导体器件，由于它体器件，由于它仅靠一靠一种种载流子流子导电，又称，又称单极型晶体管。极型晶体管。场效效应管管结型型场效效应管管（JFET）绝缘栅型型场效效应管管（MOSFET）N沟道沟道P沟道沟道增增强型型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道2024/9/15模电课件1、N沟道增沟道增强型型MOS管管一、一、绝缘栅型型场效效应管管(MOSFET)金属层S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底(1)结构构符号符号2024/9/15模电课件（2 2）工作原理）工作原理当加当加uDS时，若若uGS0两个两个PN结背靠背，不存在背靠背，不存在导电沟道，即沟道，即iD0；+NNP型型衬底底uDSuGSuDS0，uGS0uGS排斥排斥SiO2附近的空穴，剩附近的空穴，剩下不能移下不能移动的离子，形成耗尽的离子，形成耗尽层；衬底的自由底的自由电子吸引到耗尽子吸引到耗尽层与与绝缘层之之间，形成一个，形成一个N型薄型薄层，即反型，即反型层，也是，也是ds之之间的的导电沟道；沟道；随着随着uGS增大，增大，开启开启电压UGS(th)：刚刚形成反型形成反型层的的uGS电压。SDG+NNP型型衬底底uDSuGSuGSU GS (th)，uDS0由于有由于有导电沟道，会沟道，会产生漏极生漏极电流流iD；iD导电沟道存在沟道存在电位梯度，位梯度，导电沟道不均匀，沿着沟道不均匀，沿着sd方向逐方向逐渐变窄；窄；当当uDS=UGS UGS(th)时，导电沟道出沟道出现预夹断；断；当当uDS较大，大，uDSUGS UGS(th)时，导电沟道出沟道出现夹断；断；此此时，iD的大小与的大小与uDS无关，由无关，由uGS决定，恒流区。决定，恒流区。当当uDS较小，小，uDSUGS UGS(th)时,uDS增大增大,iD也增大也增大,可可变电阻区；阻区；SDG（3 3）特性曲）特性曲线与与电流方程流方程输出特性曲出特性曲线uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2i iD D=f f ( (u uDSDS)对应对应不同的不同的U UGSGS下得一簇曲下得一簇曲线线夹夹断区断区断区断区恒流区恒流区恒流区恒流区可可可可变电变电阻区阻区阻区阻区输输出特性曲出特性曲出特性曲出特性曲线线（分三个区域）（分三个区域）（分三个区域）（分三个区域）2024/9/15模电课件输出特性曲出特性曲线（分三个区域）夹断区：断区：uGS109欧。欧。uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS22024/9/15模电课件输出特性曲出特性曲线（分三个区域）uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2恒流区：恒流区：uDSUGS UGS(th)导电沟道出沟道出现夹断，断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关；2024/9/15模电课件输出特性曲出特性曲线（分三个区域） 可可变电阻区：阻区：导电沟道未沟道未夹断前，断前，对应不同的不同的uGS，ds 间可等效不同的可等效不同的电阻；阻；uDSUGS UGS(th)uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2转移特性曲移特性曲线与与电流方程流方程UGS(th)2UGS(th)IDOuGSiD转移特性曲移特性曲线:电流方程流方程:IDO：uGS2UGS(th) 时的的iD。恒流区：恒流区：恒流区：恒流区： i iD D 基本上由基本上由基本上由基本上由u uGSGS决定，与决定，与决定，与决定，与U UDSDS 关系不大关系不大关系不大关系不大uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2转移特性曲移特性曲线输出特性曲出特性曲线2024/9/15模电课件总结：N沟道增沟道增强型型导电沟道是沟道是N型，所以型，所以衬底是底是P型。型。2 2、N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管在在G的下方，在的下方，在Si O2中中掺入大量的正离子，入大量的正离子，即使即使uGS0，也会吸引，也会吸引P中的中的电子形成沟道。子形成沟道。-gs+NdbN+ +P型型衬底底uGSuDSiD 想想让沟道消失，必沟道消失，必须加足加足够负电压。 夹断断电压UGS(off)：反型：反型层消失消失时的的uGS，为负值。sgdbN沟道沟道符号：符号： N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管的的uGS可以可以为正，也可以正，也可以为负。iD2024/9/15模电课件3 3 3 3、P P P P沟道增沟道增沟道增沟道增强强型型型型导电沟道是沟道是P型，所以型，所以衬底是底是N型型。P沟道沟道MOS的工作原理与的工作原理与N沟道沟道MOS完全相同，只完全相同，只不不过导电的的载流子不同，供流子不同，供电电压极性不同而已。极性不同而已。iD2024/9/15模电课件4 4、P P沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型5、VMOS管（自学）管（自学）2024/9/15模电课件二、二、结型型场效效应管管1 1、结构构( (以以N沟道沟道为例例) )NP+P+三个三个电极：极：g：栅极极d：漏极：漏极s：源极：源极两个两个PN结夹着一个着一个N型沟道。型沟道。g 栅极极d 漏极漏极s源极源极N N沟道沟道P P沟道沟道符号：符号：2024/9/15模电课件1 1、工作原理工作原理N沟道沟道结型型场效效应管正常工作，管正常工作，应在在uGS0，形成漏极，形成漏极电流流iD。（1 1）uGS对沟道的控制作用沟道的控制作用NP+P+sdg当当uGS到一定到一定值时，沟，沟道会完全合道会完全合拢。uGS=UGS(off)夹断断电压。在在栅源源间加加负电压uGS ，令，令uDS=0当当uGS=0时，导电沟道最沟道最宽。当当uGS时，沟道，沟道电阻增阻增大。大。 VGG（uGS）2024/9/15模电课件（2 2）当）当uGS为0UGS(off)中某一中某一值，uDS对iD的影响的影响NP+P+dgs VGG（uGS） VDD（uDS）iD当当uDS=0时，iD=0。当当uDS0时，从，从ds电位依次减小，即耗尽位依次减小，即耗尽层承受的反向承受的反向电压由由ds逐逐渐减小，故减小，故宽度也沿度也沿着着ds方向逐方向逐渐变窄。窄。uDSiD当当uGD=UGS(off)时，漏极的，漏极的耗尽耗尽层出出现夹断。断。uDSuGSuGDuGDuDSuGS0uGD uGS uDS2024/9/15模电课件NP+P+dgs VGG（uGS） VDD（uDS）iD当当uGDUGS(off)时，漏极的，漏极的耗尽耗尽层夹断断层加加长。uDS增大，增大，电流流iD基本不基本不变。（3 3）当）当uGDUGS(off)时，uGS对i iD的控制作用的控制作用当当uGDUGSoff时，导电沟道未出沟道未出现夹断，断，对应不同的不同的uGS ，ds 间可等效不同的可等效不同的电阻；阻；（2）当）当uGDUGSoff时，导电沟道出沟道出现预夹断；断；（3）当）当uGDuGSuDSUGSoff时，导电沟道出沟道出现夹断，断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关。（4）PN 结反偏，反偏，iG 0。2024/9/15模电课件3、结型型场效效应管的特性曲管的特性曲线（1 1）输出特性曲出特性曲线iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V可可变电阻区：阻区：导电沟道未沟道未夹断前，断前，uDS与与iD线性关系，性关系，对应不同的不同的uGS，ds 间可可等效不同的等效不同的电阻；阻；恒流区：恒流区：导电沟道出沟道出现夹断，断，iD取决于取决于uGS ，而与，而与uDS无关无关；预夹断断轨迹：迹：uGDuGSuDS UGS(off)夹断区：断区：uGSUGS(off)时，导电沟道完全被沟道完全被夹断，断，iD0。2024/9/15模电课件（2）转移特性曲移特性曲线iD(mA)uDS(V)uGS0VuGS1VuGS2VuGS3VuGS4V0-3-12iD(mA)uGS（V）1-4-243UGS（off）IDSS恒流区的恒流区的转移特移特性曲性曲线近似一条近似一条 IDSS：饱和漏和漏电流。流。uGS=0时，uGDUGS(off ) 时漏极漏极电流；流；2024/9/15模电课件三、三、场效效应管的主要参数管的主要参数1、直流参数、直流参数（1）开启）开启电压UGS(th)： 增增强型型MOS管的参数管的参数（2）夹断断电压UGS(off)： 结型型场效效应管和耗尽型管和耗尽型MOS管的参数管的参数（3）饱和漏极和漏极电流流IDSS：耗尽型管，在耗尽型管，在UGS0时产生生预夹断断时的漏极的漏极电流流P 49图1.4.13场效效应管的符号及特性管的符号及特性2、交流参数、交流参数（4）直流）直流输入入电阻阻RGS(DC):栅源源电压与与栅极极电流之比。流之比。结型管大于型管大于107，MOS 管大于管大于109。（1）低）低频跨跨导gm：表示表示uGS对iD控制作用的控制作用的强弱弱uGS1=UGS(th)iD(mA)uDS(V)uGS5uGS4uGS3uGS2iDuGSuGSiDiDuGS某点切某点切线斜率斜率3、极限参数、极限参数（2）极）极间电容：容：场效效应管的三个极之管的三个极之间均存在极均存在极间电容。高容。高频电路中，路中，考考虑极极间电容的影响。管子的最高工作容的影响。管子的最高工作频率率fM是是综合考合考虑了三个了三个电容的影响而确定的工作容的影响而确定的工作频率的上限率的上限值。（1）最大漏极）最大漏极电流流IDM：管子正常工作管子正常工作时漏极漏极电流的上限流的上限值。（2）击穿穿电压：U (BR)DS：管子：管子进入恒流区后，使入恒流区后，使iD骤然增大的然增大的uDS。U (BR)GS：结型管：使型管：使栅极与沟道极与沟道间PN结反向反向击穿的穿的uGS。MOS管：使管：使绝缘层击穿的穿的uGS。（3）最大耗散功率）最大耗散功率PDM： PDM决定管子允决定管子允许的温升。的温升。PDM确定后，可在管子确定后，可在管子的的输出特性曲出特性曲线上画出上画出临界最大功耗界最大功耗线，再根据由，再根据由IDM和和U(BR)DS可得到管子的安全工作区。可得到管子的安全工作区。四、四、MOS管使用注意事管使用注意事项2 2、在在使使用用场效效应管管时，要要注注意意漏漏源源电压、漏漏源源电流流及耗散功率等，不要超及耗散功率等，不要超过规定的最大允定的最大允许值。1 1、保存、保存MOS管管应使三个使三个电极短接，避免极短接，避免栅极极悬空；空；2024/9/15模电课件MOSMOS场效效应管的管的输入阻抗非常高，入阻抗非常高，这本来是它的本来是它的优点，但在使点，但在使用上却用上却带来新的来新的问题 由于由于输入阻抗高，当入阻抗高，当带电荷物体一旦靠近荷物体一旦靠近栅极极时，在，在栅极感极感应出来的出来的电荷就很荷就很难通通过这个个电阻泄放掉，阻泄放掉，电荷的累荷的累积造成了造成了电压的的升高，尤其是在极升高，尤其是在极间电容比容比较小的情况本下，少量的小的情况本下，少量的电荷就会荷就会产生生较高的高的电压，以至管子，以至管子还没使用或者在没使用或者在焊接接时就已就已经击穿或者出穿或者出现指指标下降的下降的现象，特象，特别是是MOSMOS管，其管，其绝缘层很薄，更易很薄，更易击穿穿损坏。坏。保存保存MOSMOS管管应使三个使三个电极短接，避免极短接，避免栅极极悬空空2024/9/15模电课件晶体管噪声晶体管噪声在晶体管内，载流子的不规则运动引起不规则变化的电流起伏，因而产生不规则变化的电压起伏，这种不规则变化的电流和电压形成晶体管的噪声。晶体管噪声是晶体管的重要参数。晶体管按工作原理可分为两大类，一类是双极型晶体管；另一类是单极型晶体管,即场效应晶体管（FET）。双极型晶体管的噪声按物理来源通常分为四类：热噪声、散粒噪声、配分噪声和1/f噪声。热噪声噪声晶体管的基区或各项电阻上载流子的不规则热运动产生的电流起伏，即为热噪声。由于热噪声频谱是均匀分布的，又称为白噪声。散粒噪声散粒噪声晶体管中少数载流子通过发射极基极结注入到基区时,少数载流子的数目和速度都有起伏,引起通过结的电流的微小变化。同时，少数载流子在基区内的不规则运动，包括所产生的复合过程也将引起电流起伏，这些都属于晶体管的散粒噪声。散粒噪声与频率无关。配分噪声配分噪声在晶体管基区中，发射极电流的一部分变为集电极电流，另一部分变为基极电流，有一个由空穴电子复合作用而定的电流分配系数。复合现象本身同样受到热起伏效应的影响，因此分配系数不是恒定的。它的微小变化也会引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。参考参考资料：料：2024/9/15模电课件1/f噪声噪声在晶体管噪声频谱(图)中，低频时噪声急剧上升,呈1/fn关系。随工艺条件、表面处理和环境气氛等的不同，n取12之间,故常称为1/f噪声。低频噪声产生的原因和机理很复杂,尚待深入研究。噪声系数噪声系数晶体管的噪声系数有多种定义方法。常用输入信噪比与输出信噪比的相对比值作为晶体管的噪声系数,即。噪声系数通常以分贝为单位来表示。降低晶体管噪声的主要途径是提高截止频率和降低基区电阻。场效效应晶体管噪声晶体管噪声FET的噪声源一般有三项:热噪声、感应栅噪声和1/f噪声。FET的热噪声主要来源于沟道电阻、栅电阻和源串联电阻。感应栅噪声是因为沿沟道的噪声电压起伏通过电容耦合到栅极上感应出的电荷变化而出现的噪声电流。由于沟道的热噪声和感应栅噪声都是由相同的噪声电压在沟道中引起的，因而它们之间有部分相关性。FET噪声频谱与双极型晶体管类似。减小FET噪声的主要途径是提高跨导,减小栅电容和降低寄生电阻RS和Rg值。由于由于FET是多数是多数载流子器件流子器件,从原理上从原理上讲，比双极型晶体管工作，比双极型晶体管工作频率高，噪声率高，噪声系数低。系数低。