场效应晶体管

场效应管的特点

结型场效应管

绝缘栅场效应管

第四章

绝缘栅场效应管

结型场效应管

第四节

场效应晶体管简称场效应管，用 FET 来表示 （ Field Effect Transistor ）。

一、绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管是一种金属—氧化物—半导体场效应管，简称 MOS 管。

MOS管按工作方式分类

增强型 MOS管

耗尽型 MOS管

N 沟道 P 沟道

N 沟道 P 沟道

第四节

（一） N 沟道增强型 MOS 管的结构和工作原理

N N

b- 衬底引线

s g d

P 衬底b

SiO2 绝缘层

g- 栅极S- 源极 d- 漏极

N 型区

g

g

s

s

d

d

b

b

箭头方向是区别 N沟道与 P 沟道的标志

第四节

N 沟道

P 沟道

铝

2. 工作原理

（ 1 ）感生沟道的形成在电场的作用下，可以把 P 型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥掉，形成空间电荷区。

当 uGS 增加到某一临界电压 (UT) 值时，吸引足够多的电子，在 P 型半导体的表面附近感应出一个 N 型层 , 形成反型层—漏源之间的导电沟道。 开始形成反型层的 uGS 称为开启电压 (UT) 。 uGS 越高，电场越强，感应的电子越多，沟道就越宽。

uGS

g b

自由电子

反型层 耗尽区

第四节

绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏 - 源极间电流的大小。

栅极和源极之间加正向电压

耗尽区

铝 SiO2衬底 P 型硅

g buGS

受主离子

空穴

（ 2 ）栅源电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用在栅源电压 uGS=0 时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背

向 PN 结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流， iD≈0 。增大 VGG ，使 uGS=UT 时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流 iD 。

uGS 变大

iD 变大

沟道宽度变宽

沟道电阻变小

N N

VDD

VGGsd

b

g iD

PN 沟道

uGS≥UT 时才能形成导电沟道

第四节

uGS 对 iD 的控制作用：

（ 3 ）漏源电压 uDS 对漏极电流 iD 的影响 uGS≥UT 时，沟道形成。当 uDS 较小，即 uGD>>UT 时，沟道宽度受 uDS 的

影响很小，沟道电阻近似不变， iD 随 uDS 的增加呈线性增加。

当 uDS 增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变窄。随着 uDS 增大，沟道电阻迅速增大， iD 不再随 uDS 线性增大。

继续增大 uDS ，则 uGD <UT ，夹断区增加，增加的 uDS 电压几乎全部降落在夹断区上，所以 uDS 虽然增加而电流基本上是恒定的。

VGG

VDD

s d

b

g iD

P

N N

uGD>UT

uGD=UT

uGD<UT

第四节

耗尽区 N 沟道

当 uDS 增大到使 uGD =UT 时，在靠近漏极处，沟道开始消失，称为预夹断。

（二） N 沟道增强型 MOS 管的特性曲线

1. 输出特性

输出特性是指 uGS 为一固定值时， iD 与 uDS 之间的关系，即

输出特性分为三个区：

可变电阻区

恒流区

截止区

第四节

可变电阻区（非饱和区）

2 4 6 8 1012 14 16

123456

0

uGS=6V

4

3

5

uDS

(V)

iD(mA)

2

Ⅰ 区对应预夹断前， uGS>UT ， uDS 很小， uGD>UT

的情况。

① 若 uGS 不变，沟道电阻 rD

S 不变， iD 随 uDS 的增大而线性上升。②uGS 变大， rDS 变小，看作由电压 uGS 控制的可变电阻。

ⅠⅡ

第四节

截止区该区对应于 uGS≤UT 的情况

由于没有感生沟道，故电流 iD≈0 ，管子处于截止状态。

2 4 6 8 1012 1416123456

0

uGS=6V

4

3

5

uDS

(V)

iD(mA)

2

ⅠⅡ

恒流区（饱和区）Ⅱ 区对应 预夹断后， uGS>UT ， uDS 很大， uGD<UT 的情况。

iD 只受 uGS 控制。若 uGS 不变，随着 uDS 的增大， iD 几乎不变。

预夹断轨迹方程为：

TGSGDGSDS

TDSGSGD

Uuuuu

Uuuu

第四节

2. 转移特性转移特性是指 uDS 为固定值时， iD 与 uGS 之间的关系，即 常数DSGSD )( uufi

2 4 6 8 1012 1416123456

0

uGS=6V

4

3

5

uDS

(V)

iD(mA)

uGS(V)

iD(mA)

0

uDS=10V

1 2 3 4 5 6

当 FET 工作在恒流区，不同 uDS 的转移特性曲线基本接近。转移特性曲线方程

2TGSD ）（ UuKi （ UGS>UT ）

其中 K为常数，由管子结构决定，可以估算出来。

第四节

UT

（三） N 沟道增强型 MOS 管的主要参数

直流参数

交流参数

极限参数

第四节

1. 直流参数

（ 2 ）直流输入电阻 RGS（ 1 ）开启电压 UT

在 衬底表面感生出 导电沟道所需的 栅源电压。实际上是在规定的uDS条件下，增大uGS ， 当 iD 达到规定的数值时所需要的 uGS 值。

在 uDS=0 的条件下 ， 栅 极 与 源极 之 间 加 一 定直 流 电 压 时 ，栅 源 极 间 的 直流电阻。 RGS 的值 很 大 ， 一般大于 Ω 。

910

第四节

2. 交流参数

定义：当 uDS 一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源电压变化量之比，即

gm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导数得到。

（ 2 ）极间电容：栅、源极间电容 Cgs 和栅、漏极间电容Cgd ，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。

第四节

（ 1 ）跨导 g

m

3. 极限参数

是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。

是指管子允许的最大耗散功率，相当于双极型晶体管的 PCM 。

第四节

2 4 6 8 1012 14 160

uGS=7V

5

4

6

uDS

(V)

iD(mA)

3

（ 1 ）漏极最大允许电流 IDM

（ 2 ）漏极最大耗散功率 PDM

DSDDM uiP

DMI

在输出特性上画出临界最大功耗线。

是指在 uDS=0 时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流所需的 uGS 值。击穿将会损坏管子。

是指在 uDS 增大时，使 iD 开始急剧增加的 uDS 值。

（ 3 ）栅源极间击穿电压 U(BR)GS

（ 4 ）漏源极间击穿电压 U(BR)DS

U(BR)DS

此时不仅产生沟道中的电子参与导电，空间电荷区也发生击穿，使电流增大。

第四节

DSDDM uiP

DMI

2 4 6 8 1012 14 160

uGS=7V

5

4

6

uDS

(V)

iD(mA)

3

（四） N 沟道耗尽型 MOS管1. 工作原理 VDD

N N

s gd

b

P

iD

N 沟道

结构示意图

SiO2 绝缘层中掺入大量的正离子。

P 衬底表面已经出现反型层，存在导电沟道。

在 uGS=0 时

当 uGS>0 时 感生沟道加宽， iD 增大。

感生沟道变窄， iD减小。

当 uGS达到某一负电压值 UP 时，抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消失， iD≈0 ， UP 称为夹断电压。

当 uGS<0 时

第四节

s

g

d

b

符号

输出特性 转移特性2 4 6 8 1012 14160

uGS=0V

1

-1

2

uDS

(V)

iD(mA)

-224

6

81012

iD(mA)

0 1 2 3 4 5-1-2-3

24

6

81012

uGS(V)

UPIDSS

uDS=10V

2. 特性曲线

预夹断轨迹方程： PGSDS Uuu 转移特性曲线方程： 2

P

GS

DSSD 1 ）（U

uIi

其中 IDSS 是 uGS=0 时的 iD 值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。

第四节

3. 主要参数

实际测量时，是在规定的 uDS条件下，使 iD减小到规定的微小值时所需的 uGS 值。

该电流为 uDS 在恒流区范围内，且 uGS=0v时的 iD 值，亦称饱和漏极电流。

第四节

（ 1 ）夹断电压 UP

是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。

（ 2 ）零偏漏极电流 IDSS

它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。

iD(mA)

0 1 2 3 4 5-1-2-3

24

6

81012

uGS(V)

UPIDSS

uDS=10V

二、结型场效应管JFET(Junction Field Effect Transistor)

两个 P+ 区中间的 N 型半导体，在加上正向 uD

S 电压时就有电流流过，故称为 N 沟道。

S- 源极

g- 栅极 d- 漏极

NP

第四节

S- 源极

g- 栅极 d- 漏极

NP

当 uGS=0 时，就有导电沟道存在，故而这种管子也属于耗尽型场效应管。

s

d

gVDD

VGG

P沟道

uGS uDS

iD

N

s

g

d

第四节N 沟道结型场效应管

s

d

g

VGG

P

uGS

改变 uGS 的大小，就可以改变沟道宽窄，即改变沟道的电阻，从而控制 i

D 的大小。这与绝缘栅场效应管是一样的。

dN沟道

空间电荷区

s

gP

uGS=0s

d

g

VGG

P

uGS

UP<uGS<0

uGS≤UP

uGS 对导电沟道的影响 第四节栅源级间加反向电压

漏级电位最高， PN 结最宽，源级电位最低， PN 结最窄。

VGG

s

d

g VDD

uGD>UP

uGD=UP

uGD<UP

uDS 对导电沟道的影响

VGG

s

d

g VDD

s

d

g VDD

VGG

随着 uDS 增大， PN 结加宽，将产生预夹断。

第四节

UP<uGS≤0

漏源级间加正向电压

uDS 再增大，夹断区向下发展。

-uGS(V)

iD(mA)

0

uDS=10V

UP

N沟道结型场效应管的输出特性和转移特性

如果 N 沟道结型管的 uGS>0 ，则两个 PN 结是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏管子。

IDSS

2 4 6 8 1012 1416123456

0

uGS=0V

-2

-3

-1

uDS

(V)

iD(mA)

-4

1234

特性曲线 第四节

三、场效应管的特点场效应管与双极型晶体管相比：

（１）场效应管中，导电过程是多数载流子的漂移运动，故称为单极型晶体管；双极型晶体管中既有多子的扩散运动又有少子的漂移运动。

（２）场效应管是通过栅极电压 uGS 来控制漏极电流iD ，称为电压控制器件；双极型晶体管是利用基极电流 iB （或射极电流 iE ）来控制集电极电流 iC ，称为电流控制器件。

第四节

（３）场效应管的输入电阻很大；晶体管的输入电阻较小。

注意： MOS 管在使用时应避免悬空，保存不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁外壳要可靠接地。

s

g

d

RDZ1

DZ2

栅极过压保护电路

当电压过高时，将有一个稳压管击穿稳压，限制了 uGS 的增大，起到保护管子的作用。

第四节

（４）场效应管的跨导 gm 的值较小，双极型晶体管的 β值很大。在同等条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。

（５）结型场效应管的漏极和源极可以互换使用， MOS 管如果衬底没有和源极接在一起，也可将 d 、 s 极互换使用；双级型晶体管的 c 和 e 极互换则称为倒置工作状态，此时 β将变得非常小。

（ 6 ）场效应管可作为压控电阻使用。

第四节

(7 ）场效应管是依靠多子导电，因此具有较好的温度稳定性、抗辐射性和较低的噪声。

由图可见，不同温度下的转移特性的交点 Q（即工作点）的ID 、 UDS 几乎不受温度影响。

晶体管的温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。

Q +125

+25

T= -55

iD(mA)

uGS(V)

uDS=10V

场效应管还有一些缺点：如功率小，速度慢等。但由于它工艺简单，易于集成，故广泛应用于集成电路。

第四节

本 节 要 点

1. N 沟道增强型 MOS 管

场效应管是利用栅 - 源极外加电压 uGS 产生的电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏 - 源极间电流 iD 的大小，可将 iD看作由电压 uGS 控制的电流源。

2 4 6 8 1012 1416123456

0

uGS=6V

4

3

5

uDS

(V)

iD(mA)

uGS(V)

iD(mA)

0

uDS=10V

1 2 3 4 5 6

UT

输出特性转移特性

场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。它的主要参数有 gm 、 UT或 UP 、 IDSS 、 IDM 、 U(BR)DS 、 PD

M 和极间电容。

第四节

输出特性

转移特性

2 4 6 8 1012 14160

uGS=0V

1

-1

2

uDS

(V)

iD(mA)

-224

6

81012

iD(mA)

0 1 2 3 4 5-1-2-3

24

6

81012

uGS(V)

UPIDSS

uDS=10V

2. N 沟道耗尽型 MOS管

3. N 沟道结型场效应管

-uGS(V)

iD(mA)

0

uDS=10V

UP

IDSS

2 4 6 8 1012 1416123456

0

uGS=0V

-2

-3

-1

uDS

(V)

iD(mA)

-4

1234

第四节

本 章 小 结

本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、双极型晶体管（ BJT ）和场效应管（ FET ）的工作原理、特性曲线和主要参数。

一、 PN 结

在本征半导体中掺入不同杂质就形成 N 型半导体与 P 型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，从而实现导电性能的可控性。

1. 杂质半导体

第四章

将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，从而形成 PN 结。

正确理解 PN 结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。

2. PN 结

载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。

半导体有两种载流子：自由电子和空穴。

第四章

二、半导体二极管

一个 PN 结经封装并引出电极后就构成二极管。

二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。

特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用 PN 结击穿时的特性可制成稳压二极管。

IF 、 IR 、 UR 和 fM 是二极管的主要参数。

第四章

三、晶体管晶体管具有电流放大作用。

当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流 iC ，体现出 iB （或 iE ， uBE ）对 iC 的控制作用。此时，可将 iC 看作为电流 iB 控制的电流源。

晶体管的输入特性和输出特性表明各级之间电流与电压的关系， β、 α、 ICBO （ ICEO ）、 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 和 fM是它的主要参数。

晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子在不同工作区的外部条件。

第四章

四、场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道： N 沟道和 P 沟道，而MOS 管又分为增强型和耗尽型两种形式。

场效应管工作在恒流区时，利用栅 - 源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流 iD 。此时，可将 iD 看作由电压 u

GS 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。

gm 、 UT或 UP 、 IDSS 、 IDM 、 U(BR)DS 、 PDM 和极间电容是它的主要参数。

和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。

第四章