各种场效应管的原理和特性曲线讲解.ppt

主要内容主要内容3.0 概述概述3.1 场效效应管的管的工作原理工作原理3.2 场效效应管管特性曲特性曲线3.3场效效应管的使用管的使用注意事注意事项3.4场效效应管的管的等效等效电路路3.5场效效应管管电路的路的分析方法分析方法3.0 3.0 概概 述述 场效效应管是一种利用管是一种利用电场效效应来控制来控制电流的半流的半导体体器件器件,也是一种具有正向受控作用的半也是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体器件。它体体积小、工小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造，器件特性便于控制，是目前制造大大规模集成模集成电路的主要有源器件。路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：场效应管与三极管主要区别：场效效应管管输入入电阻阻远大于三极管大于三极管输入入电阻。阻。场效效应管是管是单极型器件（极型器件（三极管是双极型器件三极管是双极型器件）。）。场效效应管受温度的影响小（管受温度的影响小（只有多子漂移运只有多子漂移运动形成形成电流流）一、场效应管的种类一、场效应管的种类按按结构不同分构不同分为绝缘栅型型场效效应管管MOSFET结型型场效效应管管JFETP P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道MOSFETMOSFET（按工作方式不（按工作方式不（按工作方式不（按工作方式不同）同）同）同）耗尽型（耗尽型（DMOS）增增强型（型（EMOS）沟道沟道：指指载流子流通的渠道、路径。流子流通的渠道、路径。N沟道沟道是指是指以以N型材料构成的区域型材料构成的区域作作为载流子流通的路径；流子流通的路径；P沟道沟道指以指以P型材料构成的区域型材料构成的区域作作为载流子流通的路径。流子流通的路径。3.1 场效应管的工作原理场效应管的工作原理 JFET与与MOSFET工工作作原原理理相相似似，它它们都都是是利利用用电场效效应来来控控制制电流流，即即都都是是利利用用改改变栅源源电压vGS，来来改改变导电沟沟道道的的宽度度和和高高度度，从从而而改改变沟沟道道电阻阻，最最终达达到到对漏漏极极电流流iD的的控控制制作作用用。不不同同之之处仅在在于于导电沟沟道道形形成成的的原原理理不不同同。(下下面面我我们以以N沟沟道道JFET、N沟沟道道增增强型型为例例进行分析）行分析）返回返回3.1.2N沟道沟道EMOSFET沟道形成原理沟道形成原理 假假设VDS=0，讨论VGS作用作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+-+VGS形成空形成空形成空形成空间电间电荷区荷区荷区荷区并与并与并与并与PNPN结结相通相通相通相通V VGSGS 衬衬底表面底表面底表面底表面层层中中中中负负离子离子离子离子 、电电子子子子 V VGSGS 开启开启开启开启电压电压V VGS(th)GS(th)形成形成形成形成N N型型型型导电导电沟道沟道沟道沟道表面表面表面表面层层 npnpV VGSGS越大越大越大越大，反型反型反型反型层层中中中中nn越多越多越多越多，导电导电能力越能力越能力越能力越强强。反型反型反型反型层层返回返回返回返回3.2 场效应管的伏安特性曲线场效应管的伏安特性曲线（以（以（以（以NEMOSFETNEMOSFET为例）为例）为例）为例）由于由于由于由于场场效效效效应应管的管的管的管的栅栅极极极极电电流流流流为为零，故不零，故不零，故不零，故不讨论输讨论输入特性曲入特性曲入特性曲入特性曲线线。共源共源共源共源组态组态特性曲特性曲特性曲特性曲线线：ID=f(VGS)VDS=常数常数转转移特性移特性移特性移特性：ID=f(VDS)VGS=常数常数输输出特性出特性出特性出特性：+TVDSIG 0VGSID+-转转移特性与移特性与移特性与移特性与输输出特性反映出特性反映出特性反映出特性反映场场效效效效应应管同一物理管同一物理管同一物理管同一物理过过程，程，程，程，它它它它们们之之之之间间可以相互可以相互可以相互可以相互转换转换。NDMOSFETNDMOSFET的特性曲的特性曲的特性曲的特性曲线线NJFETNJFET的特性曲的特性曲的特性曲的特性曲线线 V VDSDS极性取决于沟道极性取决于沟道极性取决于沟道极性取决于沟道类类型型型型N N沟道：沟道：沟道：沟道：V VDSDS00，P P沟道：沟道：沟道：沟道：V VDSDS00ID(mA)VGS(V)VGS(th)VGS(th)VGS(off)VGS(th)VGS(th)VGS(off)P沟道沟道沟道沟道：VDS0 ID(mA)VGS(V)结结型型型型结结型型型型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型增增增增强强型型型型增增增增强强型型型型增增强型型MOS管管：VGS与与VDS极性相同极性相同。耗尽型耗尽型MOS管管：VGS取取值任意任意。结型型FET管管：VGS与与VDS极性相反极性相反。返回返回3.3场效应管的使用注意事项场效应管的使用注意事项 由于由于MOS管管COX X很小，因此当很小，因此当带电物体（或人）靠近金物体（或人）靠近金属属栅极极时，感生，感生电荷在荷在SiO2绝缘层中将中将产生很大的生很大的电压VGS(=Q/COX)，使，使绝缘层击穿，造成穿，造成MOS管永久性管永久性损坏坏。MOS管保管保护措施措施：分立的分立的MOS管：管：各极引各极引线短接、烙短接、烙铁外壳接地外壳接地。MOS集成集成电路路：TD2D1D1D2一方面限制一方面限制VGS间最大最大电压，同，同时对感感 生生电荷起旁路作用。荷起旁路作用。3.4场效应管的等效电路场效应管的等效电路q 3.4.1FET直流直流直流直流简简化化化化电电路模型路模型路模型路模型(与三极管相与三极管相与三极管相与三极管相对对照照照照)场效效应管管G、S之之间开路开路 ，IG 0。三极管三极管发射射结由于正偏而由于正偏而导通，等效通，等效为VBE(on)。FET输出端等效出端等效为压控压控电流源流源，ID受受VGS控制控制。三极管三极管输出端等效出端等效为流控流控电流源流源，满足足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-具体具体具体具体电电路分析路分析路分析路分析小信号等效小信号等效小信号等效小信号等效电电路路路路3.5场效应管电路的分析方法场效应管电路的分析方法 场效效应管管电路路分分析析方方法法与与三三极极管管电路路分分析析方方法法相相似似，可可以以采采用用估估算算法法分分析析电路路直直流流工工作作点点；采用采用小信号等效小信号等效电路法路法分析分析电路路动态指指标。场效效应管估算法分析思路与三极管相同，只是管估算法分析思路与三极管相同，只是由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件由于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有明有明显差异。因此用估算法分析差异。因此用估算法分析场效效应管管电路路时，一定要注意自身特点。一定要注意自身特点。q 估算法估算法 MOS管截止模式判断方法管截止模式判断方法假定假定MOS管工作在放大模式管工作在放大模式：放大模式放大模式非非饱和模式和模式（需重新（需重新计算算Q点点）N沟道管沟道管：VGSVGS(th)截止条件截止条件 非非非非饱饱和与和与和与和与饱饱和（放大）模式判断方法和（放大）模式判断方法和（放大）模式判断方法和（放大）模式判断方法a)a)由直流通路写出管外由直流通路写出管外电路路VGS与与ID之之间关系式关系式。c)c)联立解上述方程，立解上述方程，选出合理的一出合理的一组解解。d)d)判断判断电路工作模式路工作模式：若若|VDS|VGSVGS(th)|若若|VDS|VGSVGS(th)|b)b)利用利用饱和区数学模型和区数学模型：q 小信号等效电路法小信号等效电路法场效效应管小信号等效管小信号等效电路分法与三极管相似。路分法与三极管相似。利用微利用微变等效等效电路分析交流指路分析交流指标。画交流通路画交流通路 将将FETFET用小信号用小信号电路模型代替路模型代替 计算微算微变参数参数gm、rds注：具体分析将在第四章中注：具体分析将在第四章中详细介介绍。返回返回q 场效应管与三极管性能比较场效应管与三极管性能比较 项目目器件器件电极名称极名称工作区工作区导电类型型输入入电阻阻跨跨导三三极极管管e e极极b b极极c c极极放放大大区区饱和和区区双双极极型型小小大大场效效应管管s s极极g g极极d d极极饱和和区区非非饱和区和区单极极型型大大小小