模拟电子技术基础 安徽理工大学电气工程系 主讲 ：黄友锐 第四讲. 2.2 场效应半导体三极管 2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 2.2.2 伏安特性曲线 2.2.3 结型场效应三极管 2.2.4 场效应三极管的参数和型号 2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较.

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1 模拟电子技术基础 安徽理工大学电气工程系 主讲 ：黄友锐 第四讲

2 2.2 场效应半导体三极管 2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 2.2.2 伏安特性曲线 2.2.3 结型场效应三极管 2.2.4 场效应三极管的参数和型号 2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较

3 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导 电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电 流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分， 它有电子作为载流子的 N 沟道器件和空穴作为载 流子的 P 沟道器件。 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1. 结型场效应三极管 JFET (Junction type Field Effect Transister) 2. 绝缘栅型场效应三极管 IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET 也称金属氧化物半导体三极管 MOSFET （ Metal Oxide Semiconductor FET ）

4 N 沟道增强型 MOS 管 的结构示意图和符号见图 02.13 。其中： D ( Drain ) 为 漏极，相当于集电极 C ； G ( Gate ) 为栅极，相当于基 极 B ; S ( Source ) 为源极， 相当于发射极 E 。 2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 绝缘栅型场效应管 MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET) 。分为 : 增强型  N 沟道、 P 沟道 耗尽型  N 沟道、 P 沟道 图 02.13 N 沟道增强型 MOSFET 结构示意图 （动画 2-3 ）动画 2-3

5 一个是漏极 D ，一个是源极 S 。在源极和漏极之 间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G 。 P 型半导体 称为衬底，用符号 B 表示。 (1) N 沟道增强型 MOSFET ①结构 根据图 02.13 ， N 沟道增 强型 MOSFET 基本上是一种 左右对称的拓扑结构，它是在 P 型半导体上生成一层 SiO 2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂 的 N 型区，从 N 型区引出电极，

6 当栅极加有电压时，若 0 ＜ V GS ＜ V GS(th) 时，通过栅极和 衬底间的电容作用，将靠近栅极 下方的 P 型半导体中的空穴向下 方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，不足以形 成沟道，将漏极和源极沟通，所 以不可能以形成漏极电流 I D 。 ②工作原理 1 ．栅源电压 V GS 的控制作用 当 V GS =0V 时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管， 在 D 、 S 之间加上电压不会在 D 、 S 间形成电流。

7 V GS 对漏极电流的控制关系可用： I D =f(V GS )  V DS =const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图 02.14 。 进一步增加 V GS ， 当 V GS ＞ V GS(th) 时（称为开启电压 ) ，此时的栅极电 压已经比较强，在靠近栅极下方的 P 型半导体表层中聚集较多的电子，可 以形成沟道，将漏极和源极沟通。如 果此时加有漏源电压，就可以形成漏 极电流 I D 。在栅极下方形成的导电沟 道中的电子，因与 P 型半导体的载流 子空穴极性相反，故称为反型层。 随着 V GS 的继续增加， I D 将不断增加。在 V GS =0V 时 I D =0 ，只有当 V GS ＞ V GS(th) 后才会出现漏极电流，这种 MOS 管称为增强型 MOS 管。 ( 动画 2-4 ） 动画 2-4

8 图 02.14 V GS 对漏极电流的控制特性 —— 转移特性曲线 转移特性曲线的斜率 g m 的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 g m 的量纲为 mA/V ，所以 g m 也称为跨导。跨导的定义式如下 g m =  I D /  V GS  V DS =const ( 单位 mS) I D =f(V GS )  V DS =const

9 2 ．漏源电压 V DS 对漏极电流 I D 的控制作用 V DS =V DG ＋ V GS = － V GD ＋ V GS V GD =V GS － V DS 当 V DS 为 0 或较小时，相当 V GS ＞ V GS(th) ，沟道分布如图，此 时 V DS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 图 02.15(a) 漏源电压 V DS 对沟道的影响 ( 动画 2-5) 动画 2-5 当 V GS ＞ V GS(th) ，且固定为某一值时，来分析漏源电压 V DS 对漏极电流 I D 的影响。 V DS 的变化对沟道的影响如图 02.15 所示。根据此图可以有如下关系：

10 当 V DS 为 0 或较小时，相当 V GS ＞ V GS(th) ，沟道分布 如图 02.15(a) ，此时 V DS 基本均匀降落在沟道中，沟道 呈斜线分布。 当 V DS 增加到使 V GS =V GS(th) 时，沟道如图 02.15(b) 所示。这相当于 V DS 增加使漏极处沟道缩减到刚刚开 启的情况，称为预夹断。 当 V DS 增加到 V GS  V GS(th) 时，沟道如图 02.15(c) 所示 。此时预夹断区域加长，伸向 S 极。 V DS 增加部分基本 降落在随之加长的夹断沟道上， I D 基本趋于不变。 当 V GS ＞ V GS(th) ， 且固定为某一值时， V DS 对 I D 的影 响，即 I D =f(V DS )  V GS =const 这一关系曲线如图 02.16 所示。 这一曲线称为漏极输出特性曲线。

11 图 02.16 漏极输出特性曲线 I D =f(V DS )  V GS =const

12 (2) N 沟道耗尽型 MOSFET 当 V GS ＞ 0 时，将使 I D 进一步增加。 V GS ＜ 0 时， 随着 V GS 的减小漏极电流逐渐减小，直至 I D =0 。对应 I D =0 的 V GS 称为夹断电压，用符号 V GS(off) 表示，有时 也用 V P 表示。 N 沟道耗尽型 MOS 的转移特性曲线如 图 02.17(b) 所示。 N 沟道耗尽型 MOS 的结构和符号如图 02.17(a) 所示，它是在栅极下方的 SiO 2 绝缘层中掺入了大量 的金属正离子。所以当 V GS =0 时，这些正离子已经在 感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要 有漏源电压，就有漏极电流存在。

13 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图 02.17 N 沟道耗尽型 MOSFET 的结构和转移特性曲线

14 (3) P 沟道耗尽型 MOSFET P 沟道 MOSFET 的工作原理与 N 沟道 MOSFET 完全相同，只不过 导电的载流子不同，供电电压极性 不同而已。这如同双极型三极管有 NPN 型和 PNP 型一样。

15 2.2.2 伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较 多，根据导电沟道的不同，以及是增强型 还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出 特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。 如果按统一规定正方向，特性曲线就要画 在不同的象限。为了便于绘制，将 P 沟道 管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于 图 02.18 之中。

16 图 02.18 各类场效应三极管的特性曲线 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 N沟道增强型N沟道增强型 P沟道增强型P沟道增强型

17 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型N沟道耗尽型 P沟道耗尽型P沟道耗尽型

18 结型场效应管结型场效应管 N沟道耗尽型N沟道耗尽型 P沟道耗尽型P沟道耗尽型

19 2.2.3 结型场效应三极管 (1) 结型场效应三极管的结构 ( 动画 2-8 ） 动画 2-8 图 02.19 结型场效应三极管的结构 一个 P 区即为栅极， N 型 硅的一端是漏极，另一 端是源极。 JFET 的结构与 MOSFET 相似，工作机理则相 同。 JFET 的结构如图 02.19 所示，它是在 N 型半导 体硅片的两侧各制造一个 PN 结，形成两个 PN 结夹 着一个 N 型沟道的结构。

20 (2) 结型场效应三极管的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因 它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件 下，对于 N 沟道结型场效应三极管只能 工作在负栅压区， P 沟道的只能工作在正 栅压区，否则将会出现栅流。现以 N 沟 道为例说明其工作原理。

21 ① 栅源电压对沟道的控制作用 当 V GS =0 时，在漏极与源极之间加有一定电 压，在漏、源间将形成多子漂移运动，产生漏极 电流。当 V GS ＜ 0 时， PN 结反偏，耗尽层加厚，漏、 源间的沟道将变窄、电阻增大、 I D 减小， V GS 继续 减小，沟道继续变窄， I D 继续减小直至为 0 。当漏 极电流为零时所对应的栅源电压 V GS 称为夹断电 压 V GS(off) 。这一过程如图 02.20 所示。 （动画 2-9 ）动画 2-9

22 ② 漏源电压对沟道的控制作用 当 V DS 增加到使 V GD =V GS - V DS =V GS(off) 时，在 紧靠漏极处出现预夹断，如图 02.21(b) 示。当 V DS 继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延 长。以上过程与绝缘栅场效应三极管十分相似， 见图 02.15 。 在栅极加上电压，且 V GS ＞ V GS(off) ，若漏源电 压 V DS 从零开始增加，则 V GD = V GS - V DS 将随之减 小。使靠近漏极处的耗尽层厚度加宽，沟道变窄 ，从左至右呈楔形分布，如图 02.21(a) 所示。 （动画 2-9 ）动画 2-9

23 (3) 结型场效应三极管的特性曲线 JFET 的特性曲线有两条，一是转移特性 曲线，二是输出特性曲线。它与 MOSFET 的 特性曲线基本相同，只不过 MOSFET 的栅压 可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只 能是 P 沟道的为正或 N 沟道的为负。 JFET 的 特性曲线如图 02.22 所示。

24 (a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图 02.22 N 沟道结型场效应三极管的特性曲线 动画（ 2-6 ） 动画（ 2-6 ） 动画（ 2-7 ） 动画（ 2-7 ）

25 2.2.4 场效应三极管的参数和型号 (1) 场效应三极管的参数 ① 开启电压 V GS(th) ( 或 V T ) 开启电压是 MOS 增强型管的参数，栅源电压小 于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 ② 夹断电压 V GS(off) ( 或 V P ) 夹断电压是耗尽型 FET 的参数，当 V GS =V GS(off) 时, 漏极电流为零。 ③ 饱和漏极电流 I DSS 耗尽型场效应三极管, 当 V GS =0 时所对应的漏极电流。

26 ④ 输入电阻 R GS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于 结型场效应三极管，反偏时 R GS 约大于 10 7 Ω ，对于 绝缘栅型场效应三极管, R GS 约是 10 9 ～ 10 15 Ω 。 ⑤ 低频跨导 g m 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。 g m 可以在转 移特 性曲线上求取，单位是 mS( 毫西门子 ) 。 ⑥ 最大漏极功耗 P DM 最大漏极功耗可由 P DM = V DS I D 决定，与双极 型三极管的 P CM 相当。

27 (2) 场效应三极管的型号 场效应三极管型号, 现行有两种命名方法。其 一是与双极型三极管相同，第三位字母 J 代表结型场 效应管， O 代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料 D 是 P 型硅，反型层是 N 沟道； C 是 N 型硅 P 沟 道。例如, 3DJ6D 是结型 N 沟道场效应三极管， 3DO6C 是绝缘栅型 N 沟道场效应三极管。 第二种命名方法是 CS×× # ， CS 代表场效应管 ， ×× 以数字代表型号的序号， # 用字母代表同一型 号中的不同规格。例如 CS14A 、 CS45G 等。

28 几种常用的场效应三极管的主要参数见表 02.02 。

29 半导体三极管 ( 场效应管）图片

30 半导体三极管图片

31 2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN 型 结型耗尽型 N 沟道 P 沟道 PNP 型 绝缘栅增强型 N 沟道 P 沟道 绝缘栅耗尽型 N 沟道 P 沟道 C 与 E 一般不可倒置使用 D 与 S 有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制 电流源 CCCS(β) 电压控制电流源 VCCS(g m )

32 双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模 集成