场效应晶体管
场效应晶体管
aN沟道增强型MOS管 （1OS管的结构示意图及符号
把一块掺杂浓度较低 的P型半导体作为衬底， 然后在其表面上覆盖一层 SiO2的绝缘层，再在SiO2 层上刻出两个窗口，通过 扩散工艺形成两个高掺杂 的N型区(用N+表示)，并 在N+区和SiO2的表面各自 喷上一层金属铝，分别引 出源极、漏极和控制栅极。 衬底上也引出一根引线， 通常情况下将它和源极在 内部相连。
（2）工作原理 当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将 削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS 更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为 夹断电压，仍用UGS(off)表示。UGS<UGS(off)沟道消失，称为耗尽型。 4 场效应晶体管的主要参数 a直流参数 （1）开启电压UGS(th) 开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数，栅源电压小 于开启电压的绝对值，场效应晶体管不能导通。 （2）夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数，当UGS=UGS(off) 时， 漏极电流为零。
（3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应晶体管，当UGS =0时所对应的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC) 场效应晶体管的栅—源电压与栅极电流之比。对于结型场效 应晶体管，反偏时RGS(DC) 略大于107Ω ，对于绝缘栅型场型效应 晶体管，RGS(DC) 约为109～1015Ω 。 b交流参数 （1）低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
bN沟道耗尽型MOS管 （1） 结构 耗尽型MOS管，是在制 造过程中，预先在SiO2绝缘 层中掺入大量的正离子， 因此，在UGS=0时，这些正 离子产生的电场也能在P型 衬底中“感应”出足够的 电子，形成N型导电沟道， 如图所示。 衬底通常在内部与源 极相连。
场效应晶体管
主要内容1. 场效应管的结构、符号与工作原理2. 场效应管的工作状态和特性曲线3. 场效应管的基本特性4. 场效应管的电路模型5-4场效应晶体管场效应晶体管概述场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)，主要特点：(a)输入电阻高，可达107~1015 。
(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。
(c)体积小、重量轻、耗电省。
(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。
(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。
场效应管按结构可分为：结型场效应管（JFET ）和绝缘栅型场效应管(MOSFET )；按工作原理可分为增强型和耗尽型。
场效应管的类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型N 沟道P 沟道N 沟道P 沟道（耗尽型）FET场效应管JFET 结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管的电路符号MOSFET 符号增强型耗尽型GS D SG D P 沟道G S DN 沟道GS D U GS =0时，没有漏极电流，U GS =0时，有漏极电流，U GS 高电平导通U GS 低电平导通需要加负的夹断电压U GS(off)才能关闭，高于夹断电压U GS(off)则导通而只在U GS >0时，能导通，低于开启电压U GS(th)截止5-4-1 场效应管结构、符号与工作原理1.场效应管基本结构图5-2-22沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号图N 沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号场效应管与三极管的三个电极的对应关系：栅极g--基极b 源极s--发射极e 漏极d--集电极c 夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。
=0时是否存在导电沟道是增强型和耗尽型的基本区别。
22例5-10在Multisim 中用IV 分析仪测试理想绝缘栅型场效应管如图5-4-3所示，改变V GS ，观察电压V DS 与i D 之间的关系。
场效应晶体管
场效应晶体管中英文介绍（field-effect transistor，缩写：FET）场效应晶体管是一种通过电场效应控制电流的电子元件。
它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。
场效应晶体管有时被称为单极性晶体管，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管（bipolar junction transistors，缩写：BJT）。
尽管由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。
历史场效应晶体管于1925年由Julius Edgar Lilienfeld和于1934年由Oskar Heil分别发明，但是实用的器件一直到1952年才被制造出来（结型场效应管，Junction-FET，JFET）。
1960年Dawan Kahng发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET），从而大部分代替了JFET，对电子行业的发展有着深远的意义。
基本信息场效应管是多数电荷载体的设备。
该装置由一个活跃的信道，通过该多数载流子，电子或空穴，从源到流向漏极。
源极和漏极端子导体被连接到半导体通过欧姆接触。
的通道的导电性的栅极和源极端子之间施加的电位是一个函数。
FET的三个端子是：源极（S），通过其中的多数载流子输入通道。
进入该通道，在S点的常规的电流被指定由IS。
漏极（D），通过其中的多数载流子离开的通道。
常规电流在D通道进入指定的ID。
漏源电压VDS。
栅极（G），调制的通道的导电性的端子。
通过施加电压至G，一个可以控制的ID。
场效应晶体管的类型在耗尽模式的FET下，漏和源可能被掺杂成不同类型至沟道。
或者在提高模式下的FET，它们可能被掺杂成相似类型。
场效应晶体管根据绝缘沟道和栅的不同方法而区分。
场效应管和晶体管的区别
场效应管和晶体管的区别2009年03月26日星期四 16:041. 场效应管主要有结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）。
绝缘栅型场效应管的衬底（B）与源极（S）连在一起，它的三个极分别为栅极（G）、漏极（D）和源极（S）。
晶体管分NPN和PNP管，它的三个极分别为基极（b）、集电极（c）、发射极（e）。
场效应管的G、D、S极与晶体管的b、c、e极有相似的功能。
绝缘栅型效应管和结型场效应管的区别在于它们的导电机构和电流控制原理根本不同，结型管是利用耗尽区的宽度变化来改变导电沟道的宽窄以便控制漏极电流，绝缘栅型场效应管则是用半导体表面的电场效应、电感应电荷的多少去改变导电沟道来控制电流。
它们性质的差异使结型场效应管往往运用在功放输入级（前级），绝缘栅型场效应管则用在功放末级（输出级）。
2. 双极型晶体管内部电流由两种载流子形成，它是利用电流来控制。
场效应管是电压控制器件，栅极（G）基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管。
而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大，可以得到比场效应管高的电压放大倍数。
3. 场效应管是利用多子导电（多子：电子为多数载流子，简称多子），而晶体管是既利用多子，又利用少子（空穴为少数载流子，简称少子），由于少子的浓度易受温度，辐射等外界条件的影响，因此在环境变化比较剧烈的条件下，采用场效应管比较合适。
4. 功率放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易接受外界和内部一些无规则信号的影响，也就是在放大器的输入端短路时，输出端仍有一些无规则的电压或电流变化输出，利用示波器或扬声器就可觉察到。
这就是功率放大器的噪声或干扰电压。
噪声所产生的影响常用噪声系数Nf 表示，单位为分贝（dB），Nf越小越好，Nf=输入信号噪声比/输出信号噪声比，晶体管的噪声来源有三种：⑴热噪声：由于载流子不规则的热运动，通过半导体管内的体电阻时而产生；⑵散粒噪声：通常所说的三极管中的电流只是一个平均值，实际上通过发射结注入基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而引起发射极电流或集电极电流有一无规则的流动，产生散粒噪声；⑶颤动噪声：晶体管产生颤动噪声的原因现在还不十分清楚，但被设想为载流子在晶体表面的产生和复合所引起，因此与半导体材料本身及工艺水平有关。
场效应晶体管
场效应管的测量（5）
（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小 对ＶＭＯＳ Ｎ沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极Ｓ、黑表笔接漏极Ｄ，这就相 当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表 的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极Ｇ时，会发现管的反向电阻值 有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变 化不大。 二、.场效应管的使用注意事项 （1）为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管的耗散功率，最大漏源电压、最大栅源电压 和最大电流等参数的极限值。 （2）各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接人电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如 结型场效应管栅源漏之间是ＰＮ结，Ｎ沟道管栅极不能加正偏压；Ｐ沟道管栅极不能加负偏压，等等。 （3）MOS场效应管由于输人阻抗极高，所以在运输、贮藏中必须将引出脚短路，要用金属屏蔽包装， 以防止外来感应电势将栅极击穿。尤其要注意，不能将MOS场效应管放人塑料盒子内，保存时最好放 在金属盒内，同时也要注意管的防潮。 （4）为了防止场效应管栅极感应击穿，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好 的接地；管脚在焊接时，先焊源极；在连入电路之前，管的全部引线端保持互相短接状态，焊接完后才 把短接材料去掉；从元器件架上取下管时，应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等；当然，如果 能采用先
具体方法：用万用表电阻的R×100档，红表笔接源极Ｓ，黑表笔接漏极Ｄ，给场效应管加 上1.5Ｖ的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的 栅极Ｇ，将人体的感应电压信
场效应管的测量（3）
号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流Iｂ都要发 生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆 动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明 管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。 根据上述方法，我们用万用表的R×100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的 Ｇ极开路，测得漏源电阻RDS为600Ω，用手捏住Ｇ极后，表针向左摆动，指示 的电阻RDS为12kΩ，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大 能力。 运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针 可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体 感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或 者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表 针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何， 只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场 效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，栅极Ｇ允许的感应电 压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金
场效应晶体管及晶闸管
输入阻抗高，噪声低，适用于高保真音频放大和高速数字逻 辑电路。
工作特性比较
• 开关速度较快，但不适用于大电流开关应 用。
工作特性比较
01
晶闸管
02
电流控制型器件，通过控制阳极电流来控制 阴极电流。
03
开关速度较快，适用于大电流开关应用，如 电机控制和电源开关。
04
输入阻抗较低，噪声较大，适用于简单控制 电路。
沿和下降沿的陡峭程度也会影响电路的性能。
晶闸管的制备与工艺
07
材料选择
硅材料
硅材料是最常用的半导体材料，具有稳定的物理和化学性质，适 合大规模生产。
掺杂剂
为了改变半导体的导电性能，需要掺入其他元素作为掺杂剂，如 磷、硼等。
绝缘材料
晶闸管中的绝缘材料通常采用二氧化硅，它具有高绝缘性和稳定 性。
制造工艺流程
应用领域比较
场效应晶体管
01
适用于高速数字逻辑电路和微处理器中的 逻辑门电路。
03
02
广泛应用于高保真音频放大器、无线通信、 计算机、消费电子等领域。
04
晶闸管
主要应用于大功率电机控制、不间断电源 、电力系统、工业自动化等领域。
05
06
在需要大电流开关的应用中具有优势，如 电焊机和电动机驱动。
发展前景比较
结构
由源极、栅极和漏极三个电极组成， 通过调整栅极电压来控制源极和漏极 之间的电流。
分类与应用
分类
根据结构和工作原理的不同，场效应晶体管可分为N沟道和P 沟道两种类型。
应用
在数字电路、模拟电路、通信电路等领域广泛应用，作为放 大器、开关管、稳压电源等电子器件。
场效应晶体管的特性Fra bibliotek03电学特性
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
场效应晶体管的两种类型
场效应晶体管的两种类型场效应晶体管（Field-Effect Transistor，简称FET）是一种重要的电子器件，广泛应用于各种电子设备中。
根据不同的工作原理，场效应晶体管可以分为两种类型：MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和JFET（结型场效应晶体管）。
MOSFET是一种以金属-氧化物-半导体结构为基础的场效应晶体管。
它由一块N型或P型的半导体材料（称为通道），以及覆盖在通道上的金属栅极和绝缘层（通常是氧化硅）组成。
MOSFET的工作原理是通过改变栅极电压来控制通道中的电荷密度，从而调节电流的流动。
根据栅极和通道的电压关系，MOSFET又可以分为增强型MOSFET（Enhancement Mode MOSFET）和耗尽型MOSFET （Depletion Mode MOSFET）两种类型。
增强型MOSFET的通道中没有自由电子或空穴，只有当栅极施加正电压时，才能形成导电通道，电流才能流动。
因此，增强型MOSFET需要外加电压才能工作。
耗尽型MOSFET的通道中有自由电子或空穴，当栅极施加负电压时，通道中的电荷会被排斥，导致通道中的电流减小或完全截断。
因此，耗尽型MOSFET不需要外加电压即可工作。
与MOSFET不同，JFET采用PN结型结构，由P型和N型半导体材料组成。
JFET的工作原理是通过改变栅极与通道之间的电压来控制电流的流动。
根据掺杂浓度和材料类型的不同，JFET可以分为N 沟道JFET（N-Channel JFET）和P沟道JFET（P-Channel JFET）两种类型。
N沟道JFET的通道是由N型半导体构成，当栅极施加负电压时，通道中的电流减小或截断，当栅极施加正电压时，通道中的电流增加。
P沟道JFET的通道是由P型半导体构成，其工作原理与N沟道JFET相反。
MOSFET和JFET在工作原理和结构上有所不同，因此在实际应用中有一些差异。
MOSFET具有更高的输入电阻和较低的噪声系数，适用于高频应用和大规模集成电路。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 截止区： • 当 vGS〈Vp 时，沟 道 被 夹 断 ， iD=0 ， JFET处于截止截 止状态。截止区 位于曲线靠近横 轴的部分。 • 击穿区： • 当 vDS增至该区后， 使管子产生雪崩 击穿，而不能正 常工作，严重时 甚至使管子很快 烧坏。
iD 趋 于 饱 和 + d
v G S= 0 I dss
预夹断点
P P
+
+
A
vDS
+ VDD
N
s
-
O
V P
V (B R )D S
v D S /V
注意: N沟道JFET的VP为负值
当vGS 0，在A点处VP与vGS、vDS的关系为vGD= vGS-vDS =Vp。
在预夹断后，如果vDS还继续增加，iD略有上升，表现 为图中特性曲线的平坦段略有上翘。原因有二：尽管 vDS增加，夹断区长度确只是略有增加、沟道仅略为变 短；漏极与A点之间形成一很强的电场，该电场仍能将 电子拉过夹断区，形成漏极电流iD。
iD 迅 速 增 大 + d
v G S= 0 I dss
P+ P+ g vDS + V DD
N
s
-
O
V P
V (B R )D S
v D S /V
当vDS继续增加，栅极与沟道的电位差进一步增大，两耗尽层进一步 加宽，并逐步靠近。当vDS上升致使两耗尽层在A点相遇时，称为预 夹断，如图1.5.2c。此时A点耗尽层两边的电位差用夹断电压VP表示。 由于vGS =0，故vGD =- vDS = VP。
• (1) vGS=0 • 如vGS=0， 且漏极d与 源极s间无 电压，即 vDS=0时， 漏极d与源 极s之间无 电流。
iD = 0 + d
+
P P g
+
vDS
+ VDD=0
N
s
-
• 当 vDS 逐渐增加，耗尽层将主要向沟道 (N 区 ) 扩展，在越靠近 d 极处，栅极与沟道的电位差越大、两耗尽层越靠近，使得靠近 d 端的导电沟道比 s 端窄。 vDS 进一步增加，使得沟道变得更窄， 这将阻碍iD的增加，但在vDS较小 (如vDS200mV) 时，导电沟道 变化不大，iD与vDS是线性关系，如图曲线的起始段。
4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构及符号
• • • • • 栅极ｇ， 源极s 漏极d。 g N沟道JFET。 栅极 符号中箭头的方向表 示由 P 型栅极指向 N 型 沟道。
耗尽层
+
d 漏极
P
P N 沟道
+
d g
s 源极
g d
s
s P 沟 JFE T
2. 工作原理 分vGS=0及vGS <0两种情况讨论vDS对iD的控制作用
# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？
4. 1.2 FET的特性曲线
1.输出特性(可变电阻区、饱和区、截止区、击穿区）
• 可变电阻区：
• 又称线性电阻区， 它位于输出特性的 起始部分，该区表 示vDS较小(预夹断之 前 ) 时， vDS 与 iD 的关 系为线性关系。即 在这个区内，如 vGS 一 定 ， vDS 与 iD 的 比 值（称漏源电阻， 又称为体电阻）为 常数。在这一区间 内，漏源电阻是受 vGS 控制的，故称为 可变电阻区。
• CMOSFET是Metal-OxideSemiconductor type Field Effect Transistor 的缩写
分类：
JFET 结型
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET 场效应管
N沟道
增强型 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 P沟道
耗尽型
N沟道
P沟道
4.1 结型场效应管
• 主要讨论JFET的结 构特点及JFET的工 作原理、分析vGS、 vDS对iD的影响。 • 关键字：夹断电压、 转移特性、跨导。 • 重点：分析vGS、 vDS对iD的影响。
场效应晶体管
• 场效应晶体管（FET）是一种电压控制的单极 性半导体器件，它利用电场效应改变内部导电 沟道，实现控制输出电流的目的。它具有体积 小、重量轻、功耗小、寿命长、输入阻抗高、 噪声低和制造工艺简单等优点，因而在电子电 路中得到了广泛地应用，特别是在大规模集成 电路和超大规模集成电路中得到广泛应用。 – FET是Field Effect Transistor 的缩写 • JFET是Junction type Field Effect Transistor 的缩写
iD 饱 和 + d
+
i D
vDS
+ VDD
-0 .5 -1 -1 .5 O v D S /V
N
s
-
综上分析可知
• JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。 • JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制 • 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 • N沟道JFET工作在线性区的电源极性为vDS〉0， vGS〈 0； P沟道JFET工作在线性区的电源极性与 N沟道JFET相反。
iD 饱 和 + d
+
v G S= 0 I dss
预夹断点
P P g A N
+
vDS + VDD
O
s -
V P
V (B R )D S
v D S /V
（2）vGS <0
当栅源电压vGS变负，两PN结反向电压增加，耗尽层增宽、沟道 变窄，漏源电阻增大。在相同漏源电压vDS的作用下，vGS越负， iD越小，体现了vGS对iD的控制作用。当vGS VP(N沟道VP为负值) 时，耗尽区变宽到占据全部Ｎ沟道，整个沟道将全部夹断(简称 夹断)
iD /m A
可变 电阻区
击穿区 v G S= 0 -0.5
饱和区
-1 -1.5
O 预夹断轨迹 v G D = v G S- v D S= VP
v D S/V
1.输出特性(可变电阻区、饱和区、截止区、击 穿区）
• 饱和区(放大区)： • 其特点是当 vGS 一定时，尽 i D /m A 可 变 管 vDS 增加， 而 iD 几乎不增 电阻区 加 ，即电 流是饱和 的 ，故 称饱和区（这与BJT饱和区 是不 同 的 ） 。由于 在该区 饱 和 区 内 vDS 改变， iD 不变 ( 维持恒 定 ) ，故又 称恒流区 。在该 区内 iD 是受 vGS 控制的，改 变vGS就可改变iD，且iD是随 O vGS线性变化。JFET作为线 预夹断轨迹 性放大器 时 ，多工 作在该 v G D = v G S- v D S= VP 区，故又称为 线性放大区 。