第三章场效应管 场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件,其特点是控制端基 本上不需要电流,且受温度、辐射等外界条件影响小,便于集成,因此得到 广泛应用,场效应管分为结型和绝缘栅型两大类,他们都以半导体中的多子 来实现导电,所以又称为单极型晶体管,而上一章讲的晶体三极管是两种载 流子参与导电,所以又称为双极型晶体管。 3.1结型场效应管(JFET) 分为N沟道和P沟道两种:电路符号分别是: 结型场效应管工作原理 现以P沟道结型场效应管为例,其结构示N沟道 P沟道 意图如下:VDs VGs的作用是使G、S间的PN 结反偏,由于D点电位不能 高于G点,故VDs间必须加 负电压,保证两个PN结反 偏,可以看出,G、S间的 P 反偏电压较小,而G、D间 的反偏电压较高: 因此,在VDS作用下,JFET 的导电沟道并不均匀
第三章 场效应管 场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，其特点是控制端基 本上不需要电流，且受温度、辐射等外界条件影响小，便于集成，因此得到 广泛应用，场效应管分为结型和绝缘栅型两大类，他们都以半导体中的多子 来实现导电，所以又称为单极型晶体管，而上一章讲的晶体三极管是两种载 流子参与导电，所以又称为双极型晶体管。 3. 1 结型场效应管（JFET） 分为N沟道和P沟道两种：电路符号分别是： 一、结型场效应管工作原理 现以P沟道结型场效应管为例，其结构示 意图如下：VDS N沟道 P沟道 P N+ N+ G S D VGS VDS VGS的作用是使G、S间的PN 结反偏，由于D点电位不能 高于G点，故VDS间必须加 负电压，保证两个PN结反 偏，可以看出，G、S间的 反偏电压较小，而G、D间 的反偏电压较高： VGD=VGS+ VSD 因此，在VDS作用下，JFET 的导电沟道并不均匀
当VDs等于零,ⅤGs小增大时,两个PN结的耗尽区加宽,漏源端的导电沟 道变窄,当Ⅴs增大到一定程度时,漏源端的导电沟道消失,对应的栅源 电压称为夹断电压Ⅴs(oH) Vs-定,ⅤDs的绝对值由小增大时,近源端沟道宽度不变,而近漏端 的沟道宽度变窄,开始时,ⅤDs的绝对值较小,沟道宽度变化可以忽略, 沟道呈现的电阻是近似与VDs无关的恒值,D随VDs线性增大(即可变电阻 区,随Ⅴs而变),随着vυs的绝对值的增加,近漏端的沟道宽度变的很窄 相应的沟道电阻变大,L增加趋缓,直到VDs的绝对值的增大到某一值时, 近漏端两个耗尽区相遇,沟道被夹断, 此时的Vcp=Ves+ⅤsD=Ves(om) D ⅤDs的绝对值继续增大时,重叠部分 增加,夹断点向源极移动,VDs的绝 A 对增加部分只加在夹断点和漏极之间 如右图所示,而夹断点A至源极的电 压VAs=Vc+V COF +v 基本不变,如果忽略沟道长度调制效 应,I基本不随VDs变化。具有受控 电流源的性质
当VDS等于零， VGS小增大时，两个PN结的耗尽区加宽，漏源端的导电沟 道变窄，当VGS增大到一定程度时，漏源端的导电沟道消失，对应的栅源 电压称为夹断电压VGS（OFF）。 当VGS一定， VDS的绝对值由小增大时，近源端沟道宽度不变，而近漏端 的沟道宽度变窄，开始时，VDS的绝对值较小，沟道宽度变化可以忽略， 沟道呈现的电阻是近似与VDS无关的恒值，ID随VDS线性增大（即可变电阻 区，随VGS而变），随着VDS的绝对值的增加，近漏端的沟道宽度变的很窄 相应的沟道电阻变大， ID增加趋缓，直到VDS的绝对值的增大到某一值时， 近漏端两个耗尽区相遇，沟道被夹断， 此时的 VGD= VGS+ VSD = VGS（OFF） VDS的绝对值继续增大时，重叠部分 增加，夹断点向源极移动，VDS的绝 对增加部分只加在夹断点和漏极之间 如右图所示，而夹断点A至源极的电 压 VAS = VAG+ VGS = -VGS（OFF） + VGS 基本不变，如果忽略沟道长度调制效 应， ID基本不随VDS变化。具有受控 电流源的性质。 P D G S VDS VGS N+ N+ A
综上所述,当Ⅴcs一定,Vυs的绝对值由小增大时,开始随ⅤDs线性增大, 而 后增大程度逐步趋于缓慢,直到Vs的绝对值大于Vs(出现了夹断点),D 便基本停止增长,趋于恒定,而Vs一定,Vs的绝对值由小增大时,导电沟 道变窄,J减小,直到Vs=Vs(oH),整个沟道被夹断,b=0,可见这种 夹断与前述近漏端沟道夹断的结果不一样,为了区别这两种夹断,将近漏端 沟道夹断称为预夹断。 JFET的伏安特性曲线 下面仍以P沟道JFET共源极连接为例,讨论JFET的伏安特性 由于场效应管栅极基本不取电流,故共源极连接时不誡谄其输入特性曲线, 这里分别讨论其输出特性曲线和转移特性曲线。 1、输出特性曲线:右图为P沟道JET共源极 连接时的输出特性曲线,其与PNP性三极 +1 管共发射极输出特性曲线十分相似,同样 划分四个区:非饱和区、饱和区、截止区 和击穿区。 非饱和区:尚未发生预夹断的区域,也就是 Vps(V) DS GS (OFF) GD SD 此时,I同时受Ⅴns和V的控制,当V
综上所述，当VGS一定，VDS的绝对值由小增大时, ID开始随VDS线性增大， 而 后增大程度逐步趋于缓慢，直到VDS的绝对值大于VAS（出现了夹断点），ID 便基本停止增长，趋于恒定，而VDS一定，VGS的绝对值由小增大时，导电沟 道变窄， ID减小，直到VGS=VGS（OFF），整个沟道被夹断， ID =0， 可见这种 夹断与前述近漏端沟道夹断的结果不一样，为了区别这两种夹断，将近漏端 沟道夹断称为预夹断。 二、JFET的伏安特性曲线 下面仍以P沟道JFET共源极连接为例，讨论JFET的伏安特性。 由于场效应管栅极基本不取电流，故共源极连接时不讨论其输入特性曲线， 这里分别讨论其输出特性曲线和转移特性曲线。 1、输出特性曲线：右图为P沟道JFET共源极 连接时的输出特性曲线，其与PNP性三极 管共发射极输出特性曲线十分相似，同样 划分四个区：非饱和区、饱和区、截止区 和击穿区。 非饱和区: 尚未发生预夹断的区域，也就是 | VDS|<| VGS—VGS（OFF）|{VGD = VGS+ VSD} 此时， ID同时受VDS和VGS的控制，当|VSD | ID(mA) -VDS(V) VGS=0 +1 +2 +3 5
很小时,ⅤDs对沟道的影响可以忽略,输出特性曲线近似为一组直线,如上 图中虚线左侧部分,JT可看成为一个阻值受Vcs控制的线性电阻,故非饱 和区又称可变电阻区。Ib、VD和vcs三者关系见教材P120的3-2-1式。 饱和区:沟道被预夹断后所对应的区域,在这个区域中,输出特性近似为 组受Vs控制而与Vs无关的水平线,D和Ves关系为: ID= IDSs(1-VGS/VGS (OFF))2 -(1) 其中Ipss是vs=0,VDs=Vs(om时的漏极电流,称为漏极饱和电流 实际上,当Ves一定,VDs的绝对值由小增大时,夹断点A至源极间的沟道 长度略有减小,呈现的沟道电阻也就略有减小,因此Lb略有上升,这种效应 称为沟道长度调制效应,同样可用厄尔利电压修正,修正后的公式为: ID= Iss(1 -VGS/VGS (OFD)2(1-VDS / VA Ds和vGs(o)还与温度有关,当温度增加,PN结内建电位差vg减小,相 应的vs(o增加,具有正的温度系数,而由于载流子迁移率下降,Iss 小,具有负的温度系数,这样会出现当Vcs为某值时,I具有零的温度系数。 击穿区:漏栅间产生雪崩击穿,L剧增,V(D在-20V—50V之间 截至区 GS YGS (OFF 沟道全部夹断 0 2、转移特性曲线:它描述以VDs参变量,I和Vcs之间的关系,见上面(1)
很小时， VDS对沟道的影响可以忽略，输出特性曲线近似为一组直线，如上 图中虚线左侧部分，JFET可看成为一个阻值受VGS控制的线性电阻，故非饱 和区又称可变电阻区。ID、VDS和VGS三者关系见教材P120的3-2-1式。 饱和区：沟道被预夹断后所对应的区域，在这个区域中，输出特性近似为一 组受VGS控制而与VDS无关的水平线，ID和VGS关系为： ID= IDSS (1- VGS / VGS（OFF）) 2 --------------（1） 其中 IDSS是VGS =0， VDS = -VGS（OFF）时的漏极电流，称为漏极饱和电流。 实际上，当VGS一定，VDS的绝对值由小增大时，夹断点A至源极间的沟道 长度略有减小，呈现的沟道电阻也就略有减小，因此ID略有上升，这种效应 称为沟道长度调制效应，同样可用厄尔利电压修正，修正后的公式为： ID= IDSS (1- VGS / VGS（OFF）) 2 (1- VDS /VA) IDSS和VGS（OFF）还与温度有关，当温度增加，PN结内建电位差VB减小，相 应的VGS（OFF）增加，具有正的温度系数，而由于载流子迁移率下降，IDSS 减 小，具有负的温度系数，这样会出现当VGS为某值时，ID具有零的温 度系数。 击穿区：漏栅间产生雪崩击穿，ID剧增，V（BR）DS在-20V——-50V之间 。 截至区： VGS > VGS（OFF），沟道全部夹断，ID= 0 2、转移特性曲线：它描述以VDS参变量， ID和VGS之间的关系，见上面（1） 式（管子工作在饱和区），非饱和区见教材P120的3-2-1式
小信号电路模型:以共源组态g参数等效电路为例,输入输出特性为: IG=0 p=f (UGs, Ups) d 将上式用泰勒级数在静态工作点 Uds U 上对信号交流量展开,得: muGs iggo Id gm Ugs +gds Uds 其中, a ip DSS gm aUGS VGS (OFF) GSQ/VGS (OFF) Q gmo DQ DSS 而gm0= GS (OFF) gas a uDs IDo/VA I 在等效电路中,g-一般用rds表示,其值通常为几十K9到几百K 对应小信号等效电路如上图。 四、集成工艺 略(同学自学
三、小信号电路模型：以共源组态g参数等效电路为例，输入输出特性为： iG=0 iD= f（ vGS ，vDS） 将上式用泰勒级数在静态工作点 上对信号交流量展开，得： iggm0 id= gmvgs +gdsvds 其中， gm = = - (1- VGSQ /VGS（OFF）) = gm0 IDQ / IDSS 而 gm0 = - gds = = IDQ / |VA | 在等效电路中，gds一般用rds表示，其值通常为几十K到几百K 对应小信号等效电路如上图。 四、集成工艺 略（同学自学） iD vGS Q 2IDSS VGS（OFF） 2IDSS VGS（OFF） iD vDS Q gmvgs rds vgs vds