四場效應晶體管第1頁/共37頁§1.4.1結型場效應管(JunctionFieldEffectTransistor)

1.結型場效應管

箭頭方向表示柵結正偏或正偏時柵極電流方向。N溝道結型場效應管的結構動畫D(Drain):漏極，相當c

G(Gate):柵極，相當b

S(Source):源極，相當e第2頁/共37頁2.工作原理ID（1）VGS對導電溝道的影響：VP(VGS(OFF))：夾斷電壓(a)VGS=0，VDS=0，ID=0

結型場效應管通常工作在反偏的條件下。N溝道結型場效應管只能工作在負柵壓區，P溝道的只能工作在正柵壓區。N溝道結型場效應管工作原理：第3頁/共37頁工作原理(c)|VGS|

=VP

，導電溝道被全夾斷(b)0<VGS<VPVGS耗盡層變寬VGS控制導電溝道的寬窄，即控制ID的大小。VP(VGS(OFF))：夾斷電壓第4頁/共37頁工作原理（2）VDS對導電溝道的影響：VDS>0,但|VGS-VDS|<|VP|.VDS增加，d端電位高，s端電位低，導電溝道內存在電位梯度，所以耗盡層上端變寬。

VDSIDID第5頁/共37頁工作原理(b)|VGS-VDS|

=|VP|時，導電溝道在a點相遇，溝道被夾斷。VGS=0時，產生夾斷時的ID稱為漏極飽和電流IDSSID第6頁/共37頁工作原理(c)VDS夾端長度場強大

ID=IDSS基本不變。IDJ型場效應管的工作原理動畫第7頁/共37頁3.特性曲線VDS=10V時的轉移特性曲線IDSS是在VGS=0，VDS>

|VP|時的漏極電流

當|vGS-vDS|

|

vP|后，管子工作在恒流區，vDS對iD的影響很小。實驗證明，當|vGS-vDS|

|

VP|時，iD可近似表示為：特性特性2第8頁/共37頁§1.4.2絕緣柵型場效應管(InsulatedGateFieldEffectTransistor)

絕緣柵型場效應管IGFET又稱金屬氧化物場效應管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)是一種利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻可達1015。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道， 在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道， 在VDS作用下有iD。第9頁/共37頁1.N溝道增強型MOSFET濃度較低的P型硅SiO2

薄膜絕緣層兩個高摻雜的N型區從N型區引出電極作為D和S在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個電極作為GD(Drain):漏極，相當c

G(Gate):柵極，相當b

S(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底結構動畫(1)結構和符號第10頁/共37頁(2)工作原理（以N溝道增強型為例）(a)VGS=0時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結反向，所以不存在導電溝道。

VGS=0，ID=0VGS必須大于0管子才能工作。①柵源電壓VGS的控制作用柵源電壓VGS的控制作用動畫第11頁/共37頁①柵源電壓VGS的控制作用

（b）當柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VT（VT

稱為開啟電壓)

0＜VGS＜VT，

ID=0柵源電壓VGS的控制作用動畫第12頁/共37頁①柵源電壓VGS的控制作用(c)進一步增加VGS，當VGS＞VT時，

VGS>0g吸引電子反型層導電溝道VGS反型層變厚VDS

ID柵源電壓VGS的控制作用動畫第13頁/共37頁②漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，溝道變化；VDSID②漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響漏源電壓VDS對溝道的影響動畫第14頁/共37頁②漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b）當VDS增加到使VGD=VT時，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，稱為預夾斷。漏源電壓VDS對溝道的影響動畫第15頁/共37頁②漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDSID不變（c）當VDS增加到VGDVT時，溝道如圖所示。此時預夾斷區域加長，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，ID基本趨于不變漏源電壓VDS對溝道的影響動畫第16頁/共37頁

ID=f(VGS)VDS=const轉移特性曲線iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const輸出特性曲線vDS/ViD(3)特性曲線（以N溝道增強型為例）轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。gm

的量綱為mA/V，稱為跨導。

gm=ID/VGSVDS=const第17頁/共37頁輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區（夾斷區）VGS<VT以下區域就是截止區VGSVTID=0(3)放大區（恒流區）產生夾斷后，VDS增大，ID不變的區域，VGS-VDSVP，VDSID不變處于恒流區的場效應管相當于一個壓控電流源(2)飽和區（可變電阻區）未產生夾斷時，VDS增大，ID隨著增大的區域VGS-VDSVTVDSID處于飽和區的場效應管相當于一個壓控可變電阻第18頁/共37頁2.其它類型MOS管（1）N溝道耗盡型：第19頁/共37頁各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型第20頁/共37頁各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型第21頁/共37頁§1.4.3

場效應管的主要參數開啟電壓VT：在VDS為一固定數值時，能產生ID所需要的最小|VGS|值。（增強）1.直流參數夾斷電壓VP：在VDS為一固定數值時，使ID對應一微小電流時的|VGS|值。（耗盡）飽和漏極電流IDSS：在VGS=0時，VDS>

|VP|時的漏極電流。（耗盡）(4)

直流輸入電阻Rgs：在VDS=0時，柵源間直流電壓與柵極直流電流的比值第22頁/共37頁2.交流參數(1)低頻跨導gm

：表示vGS對iD的控制作用。在轉移特性曲線上，gm

是曲線在某點上的斜率，也可由iD的表達式求導得出，單位為S或mS。(2)輸出電阻rds

：表示VDS對iD的影響它是輸出特性曲線上工作點處斜率的倒數。(3)極間電容

：漏源電容CDS約為0.1~1pF，柵源電容CGS和柵漏極電容CGD約為1~3pF。第23頁/共37頁3.極限參數(1)最大漏極電流IDM

(3)漏源擊穿電壓V(BR)DS

柵源擊穿電壓V(BR)GS

(2)最大漏極耗散功率PDM

第24頁/共37頁1.4.4場效應管與雙極型三極管的比較及使用注意事項雙極型三極管場效應三極管結構NPN型PNP型結型耗盡型N溝道P溝道絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道C與E一般不可倒置使用D與S可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規模集成適宜大規模和超大規模集成第25頁/共37頁§2.5場效應管放大電路場效應管的小信號模型共源極放大電路共漏極放大電路共柵組態基本放大電路第26頁/共37頁2.5.1場效應管的小信號模型一般rds很大，可忽略，得簡化小信號模型:第27頁/共37頁2.5.2共源極放大電路以NMOS增強型場效應管為例三極管與場效應管三種組態對照表：第28頁/共37頁1電路組成

比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個解電路的問題了。

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應。第29頁/共37頁2靜態工作點的確定（估算法）直流通路

靜態工作點(估算法）：

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGS=VG－VS=VG－IDR

ID=IDSS[1－(VGS/VP)]2

VDS=VDD－ID(Rd+R)

解出VGS、ID和VDS。第30頁/共37頁3動態參數分析微變等效電路第31頁/共37頁2.5.3共漏極放大電路

直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－IDR由此可以解出VGS、ID和VDS。與三極管共集電極電路對應直流通路：Rg的作用？第32頁/共37頁交流分析第33頁/共37頁輸出電阻第34頁/共37頁2.5.4共柵極放大電路Ro≈Rd第35頁/共37頁例題1共源已知：gm=0.3mA/VIDSS=3mA