四川大学：《模拟电子技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）场效应管

场效应管(1.2.5) 场效应管的结构、特性与参数 场效应管用FET表示( Field effect transistor)。 具有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集 成等优点。 场效应管分类: Metal-Oxide Semiconductor 绝缘栅型 IGFET(或MOS)( Insulted Gate Type) 增强型MOS( Enhancement) N沟道 耗尽型MOS( Depletion)M抄岭道 P沟道 结型JFET( Junction Type) 本质上是耗尽型,分为N沟道和P沟道

场效应管(1.2.5) 场效应管的结构、特性与参数 场效应管用FET表示（Field Effect Transistor）。 具有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集 成等优点。 • 绝缘栅型IGFET(或MOS) （Insulted Gate Type） ▪ 增强型MOS （Enhancement） ▪ 耗尽型MOS （Depletion） • 结型JFET （Junction Type） ▪ 本质上是耗尽型，分为N沟道和P沟道。 场效应管分类： Metal-Oxide￾Semiconductor N沟道 P沟道 N沟道 P沟道

、绝缘栅场效应管( IGFET) NMOS增强型 Metal-Oxide Semiconductor 栅极 源极 d漏极 Source源极 sio d: Drain漏极 B g:Gate栅极 G P型衬底 B:Base衬底 B衬底引线 衬底引线箭头由P指向N 在P型衬底上加2个N+MoOs管的栅极与其它电极被 区,P型表面加SO2 SiO2绝缘层隔开了,所以称为 绝缘栅,栅极输入电阻近似为 绝缘层,在N+区加铝 ●● 0。 金属电极

一、绝缘栅场效应管（IGFET） ➢ NMOS增强型 在P型衬底上加2个N+ 区，P型表面加SiO2 绝缘层，在N +区加铝 金属电极。 MOS管的栅极与其它电极被 SiO2绝缘层隔开了，所以称为 绝缘栅，栅极输入电阻近似为 ， iG≈0 。 s：Source 源极 d：Drain 漏极 g：Gate 栅极 B：Base 衬底 衬底引线箭头由P指向N iG Metal-Oxide￾Semiconductor

增强型MOs管工作原理(以NMOS为例) ①vs=0,vs较小:s、d之间 没有导电沟道漏源间只是 两个“背向”串联的PN结), g 所以d-s间呈现高阻,i≈0。的 P型衬底 B 正常工作时,B和s通常接在一起 耗尽层 ②当vs>0,表面形成耗尽层 当vs增强到足够大:耗尽 层下移,栅极与衬底之间产生 个垂直电场(方向为由栅极指 向衬底),它使漏源之间的P型 硅表面感应出电子层(反型层)使 N十J 两个N区连通,形成N型导电 沟道。绝缘层与耗尽层之间形 P型衬底 反型层 成一个N型薄区(反型层)。 B

增强型MOS管工作原理 ( 以NMOS为例） ① vGS = 0 , vDS较小 ： s 、 d之间 没有导电沟道 (漏源间只是 两个 “背向 ”串联的PN 结 ) ， 所以 d - s间呈现高阻 ， iD ≈ 0 。 ② 当 vGS ＞ 0 ，表面形成耗尽层 当 vGS增强到足够大 ：耗尽 层下移 ，栅极与衬底之间产生 一个垂直电场 (方向为由栅极指 向衬底 ) ，它使漏 -源之间的 P 型 硅表面感应出电子层 (反型层 ) 使 两个N+区连通 ，形成 N型导电 沟道 。绝缘层与耗尽层之间形 成一个 N型薄区 （反型层 ） 。 s d B 正常工作时， B 和 s通常接在一起 耗尽层反型层

开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压 VGs(习惯上常表示为H)。 口vs>V时,ves对i的控制作用 vs将在栅极与衬底之间产生 个垂直电场(方向为由栅极 指向衬底),它使漏-源之间的 P型硅表面感应出电子层(反型 P型衬底 层)使两个N区连通,形成N 反型层 B 型导电沟道。d、s间呈低阻 所以在vs的作用下产生一定 的漏极电流i 当vcs=0时没有导电沟道,而当vs增强到>v时才 形成沟道,所以称为增强型MQS管。并且vs越大, 导电沟道越厚,等效电阻越小,i越大

当vGS＝0时没有导电沟道，而当vGS 增强到＞VT时才 形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越大， 导电沟道越厚，等效电阻越小，iD越大。 开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压 VGS(th)(习惯上常表示为VT)。 反 型 层  vGS＞VT时，vGS对iD的控制作用 vGS将在栅极与衬底之间产生 一个垂直电场(方向为由栅极 指向衬底)，它使漏-源之间的 P型硅表面感应出电子层(反型 层)使两个N+区连通，形成N 型导电沟道。d、s间呈低阻， 所以在vDS的作用下产生一定 的漏极电流iD

GS >V且为定值时,vs对的影响 漏源电压v影响:由于沟道电阻的存在,i沿沟道 方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分 布。近端电压差较高,为vcs;近d端电压差较低, 为vcD=va GS VDS 所以沟道呈楔形分布。 当Ws较小时:Ws对导电 沟道的影响不大,沟道主 要受vs控制,所以在为 g 定值时,沟道电阻保持不 变,随vs增加而线性 反 增加。 P型衬底 型 层 B GS y DS 0<vDs <VGs

漏-源电压vDS影响：由于沟道电阻的存在， iD沿沟道 方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分 布。近s端电压差较高，为vGS；近d端电压差较低， 为vGD＝vGS-vDS，所以沟道呈楔形分布。 ③ vGS＞VT且为定值时，vDS对iD的影响 DS GS T GS DS T v v V v v V   − −  0 • 当 vDS较小时： vDS对导电 沟道的影响不大，沟道主 要受vGS控制， 所以在为 定值时，沟道电阻保持不 变，iD随vDS 增加而线性 增加。 反 型 层

当vs增加到vsWs=v时 (即vs=ves-r):漏端 d 沟道消失,称为“预夹 断 P型衬底 当ws再增加时(即vs> vGs-r):b将不再增加, 趋向饱和。因为vs再增加 g 时,近漏端上的预夹断点 向s极延伸,使vs的增加 P型衬底 部分降落在预夹断区,以 维持i的大小 DS DS GS

DS GS T GS DS T v v V v v V = − − = DS GS T GS DS T v v V v v V  − −  • 当 vDS增加到vGS-vDS＝VT时 （即vDS＝vGS-VT）：漏端 沟 道 消 失 ， 称 为 “ 预 夹 断” 。 • 当 vDS再增加时（即vDS＞ vGS-VT）：iD将不再增加， 趋向饱和。因为vDS再增加 时，近漏端上的预夹断点 向s极延伸，使vDS的增加 部分降落在预夹断区，以 维持iD的大小

1+伏安特性与电流方程 Bn()输出特性(漏极特性) g 表示漏极电流i与漏源电压v之间的关系 DS GS=Const D/μ Uns=U 特性与三极管相似,分为 可变 200电阻区 5V3个工作区,但工作区的 /放大区(恒流区)作用有所不同 150 5.5V 100 5.0V 可变电阻区 50 4.0y·放大区(恒流区、饱和区 2=2·截止区(夹断区) (Ds)截止区

表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系 (1) 输出特性(漏极特性) D DS v GS const i f v = = ( )| • 可变电阻区 • 放大区(恒流区、饱和区) • 截止区(夹断区) 特性与三极管相似，分为 3个工作区，但工作区的 作用有所不同。 + 伏安特性与电流方程 vDS - iG + vGS - iD

可变电阻区 管子导通,但尚未预夹断,即满足的条件为: GS T2GS DS > D/HAl vc一定时,沟道厚度一定, DS GST 可变 6.5V 漏源电阻几乎为常数RDs 200电阻区 放大区(恒流区) 150 i不仅受ves的控制,而且 5.5V 随v增大而线性增大。 5.0V 4.0V 2.5V R DS (r=2V) DS GS =Const 9 Ups/v (Ds)截止区 D

管子导通，但尚未预夹断，即满足的条件为： ➢ 可变电阻区 GS T GS DS VT v V ,v − v  iD不仅受vGS的控制，而且 随vDS增大而线性增大。 v const D D S D S G S i v R = = vGS一定时，沟道厚度一定， 漏源电阻几乎为常数RDS

放大区 又称恒流区、饱和区。条件是 Uns=U 可变 < 电阻区 6.5V GS T2GS DS T 1放大区(恒流区) 150 5.5V DS 较大时,沟道出现锲型 100 5.0V 予夹断后,与vs几乎无 4.0V 关,表现为较好的恒流特 50 7as=2.5V 性, OLLZZZZZZZZZAZZZZAZZ(2V) (s)截止区 放大区和可变电阻区的过渡点是不明显的 予夹断轨迹:vDs=vos 夹断区 又称截止区。指管子未导通(ves<Vr)时的状态 ≈0

又称恒流区、饱和区。条件是： ➢ 放大区 VDS较大时，沟道出现锲型， 予夹断后，iD与vDS几乎无 关，表现为较好的恒流特 性。 GS T GS DS VT v V , v − v  ➢ 夹断区 又称截止区。指管子未导通( vGS＜VT )时的状态。 i D  0 放大区和可变电阻区的过渡点是不明显的 予夹断轨迹： DS GS VT v = v −

(2)增强型NMOS管的转移特性 在一定vs下,栅-源电压vcs与漏极电 流i之间的关系 D B GS 2 g GS)ly DS =Const DO v 顸Do是vcs=2Ⅳ时的 漏极电流 D/HAt UpS=vGs -VI 200 可变 A 阻 6.5V 1放大区(恒流区) 150 5.5V 150 100 5.0V 4.0V DO UGs 2.5V 2222(H=2V) 6 0 (bs)截止区 (VT)

(2) 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电 流iD之间的关系 D GS v DS const i f v = = ( )| 2 = ( −1) T GS D DO V v i I IDO是vGS=2VT时的 漏极电流 IDO iG + vGS - iD