场效应晶体管工作原理培训教程
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场效应晶体管及其应用
3.1.1 结型场效应晶体管
iD f (uGS ) uDS 常数
uGS 2 I DSS (1 ) U GS(off)
UGS(off)≤uDS≤0
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
场效应晶 体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
结型场效应管简称JFET，它是利用半导体内的电场效应 来工作的，因而也称为体内场效应器件。结型场效应管有 N沟道和P沟道两类。
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
iD f (u DS )
uG S常数
3.1场效应晶体管的基本特性
式中RL ’ ＝RS∥RL 。输出电压与输入电压同相，且由 于gm RL ’ >>1，所以Au小于1，但接近于1。
RO
U U 1 1 I U gm g mU R RS S
3.3源极输出器
U RO I U U g mU RS 1 1 gm RS
第3章 场效应晶体管及其应用(共6学时)
学习目标:
1．了解各种场效应晶体管的结构，掌握它们的转移特性、
输出特性以及主要参数。 2．掌握场效管共源极放大器、共漏极放大器（源 极跟随器）的微变等效电路与主要性能参数。
本章内容
3.1 场效应晶体管的基本特性（2学时） 3.2 共源极场效应晶体管放大电路 （2学时） 3.3 源极输出器（2学时） 小结
3.1场效应晶体管的基本特性
P沟道结型场效应晶体管 结型场效应 晶体管 N沟道结型场效应晶体 管 P沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 增强型绝缘栅场 效应晶体管 N沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 绝缘栅场效 应晶体管 耗尽型绝缘栅场 效应晶体管 P沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管 N 沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管
iD f (uGS ) uDS 常数
uGS 2 I DSS (1 ) U GS(off)
UGS(off)≤uDS≤0
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
场效应晶 体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
结型场效应管简称JFET，它是利用半导体内的电场效应 来工作的，因而也称为体内场效应器件。结型场效应管有 N沟道和P沟道两类。
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
iD f (u DS )
uG S常数
3.1场效应晶体管的基本特性
式中RL ’ ＝RS∥RL 。输出电压与输入电压同相，且由 于gm RL ’ >>1，所以Au小于1，但接近于1。
RO
U U 1 1 I U gm g mU R RS S
3.3源极输出器
U RO I U U g mU RS 1 1 gm RS
第3章 场效应晶体管及其应用(共6学时)
学习目标:
1．了解各种场效应晶体管的结构，掌握它们的转移特性、
输出特性以及主要参数。 2．掌握场效管共源极放大器、共漏极放大器（源 极跟随器）的微变等效电路与主要性能参数。
本章内容
3.1 场效应晶体管的基本特性（2学时） 3.2 共源极场效应晶体管放大电路 （2学时） 3.3 源极输出器（2学时） 小结
3.1场效应晶体管的基本特性
P沟道结型场效应晶体管 结型场效应 晶体管 N沟道结型场效应晶体 管 P沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 增强型绝缘栅场 效应晶体管 N沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 绝缘栅场效 应晶体管 耗尽型绝缘栅场 效应晶体管 P沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管 N 沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管
第4章 MOS场效应晶体管 75页PPT
当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅 氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。
通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀 值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。
弱反型时亚阀值电流由下式给出
IDSqW qETS Dn
L1nP0eqTUS
a) 能带图
b) 电荷分布图
2. 理想 MOS 结构的阀值电压
理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度， 且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。 理想 MOS 结构的阀值电压为
UT 0 QCBOmXax2F
3. 实际 MOS 结构的阀值电压
在实际的 MOS 结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导 体功函数差фms。 因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消它们的 影响。才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构 状态。
4.2.1 MOS 场效应晶体管的基本工作原理 1. MOS 晶体管的基本结构
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
2. MOS管的基本工作原理 MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
2.氧化层中电荷的影响
在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况，如下图 系 统 电 荷 示 意 图
1）界面中陷阱电荷 2）氧化层中的固定电荷 3）氧化层陷阱电荷 4）可动离子电荷
当金属-半导体的功函数差和氧化膜中电荷都存在时， MOS结构的平带电压为
UFB
MOS场效应晶体管74026-PPT精选文档
正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS<0 ，使栅极 PN 结反偏，iG=0。
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
VGS 继续减小，沟道继续变窄， ID继续减小直至为0。当 当 VV =0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源 GS 当 GS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的 漏极电流为零时所对应的栅源电压 VGS称为夹断电压 VP。 间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 沟道将变窄，ID将减小。
断”。
特性曲线
vGS 2 iD IDSS (1 ) VP
v v v V G D G SD S P
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
结 型 场 效 应 管
N 沟 道
P 沟 道
场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT)
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。
§2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET
N沟道
P沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor
场效应晶体管基础PPT课件
Q'SD (max) eNa xdT
金属 氧化物 p型半导体 金属 氧化物 p型半导体
VG VOX s ms
s 2 f p
VOX Q'SD (max) Q'ss COX
VTP
Q'SD (max) Q'ss COX
ms 2 f p
VTP
Q'SD (max) COX
OX
tOX
8、理想 C-V特性
C'
C 'OX
堆积
C 'OX
C 'FB
低频
C 'SD
强反型 中反型
耗尽
C 'min 高频 VFB 0
VT
VG
C 'OX
OX
tOX
C 'FB tOX
LD
OX OX LD s
sVth
eN a
C 'min tOX
xdT
OX OX xdT s
Q'ss
Ec EFi EF Ev
金属 氧化物 半导体
VG VOX s ms
s 0
VOX
Q'm Q'ss COX COX
VFB
Q'ss ms COX
Q'm Q'ss 0
5、 阈值电压
eVOX
es
e f p
Ec EFi EF Ev
Q'mT
Q'ss
xdT
tox
1 2
ms
Eg m 2e f p
MOS场效应晶体管课件
形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
15
MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
2023/12/22
18
MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
2023/12/22
16
MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
2023/12/22
6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，
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
第章电力场效应晶体管PPT课件
缓二极管反向恢复时间。
2、结温的影响。
功率MOSFET的结温对CSOA没有直接影响，但是器件的电压和电流直接受结温 高低的影响。
3、线路引线电感的影响。
电路中的引线电感在二极管反向恢复过程会产生反电势，使器件承受很高的峰
值电压。二极管换向速度越快或引线电感越大，器件承受的峰值电压越高。过高的
电压使对器件CSOA的要求更加苛刻。为此，应尽量缩短电路引线，以便使引线电
a) 测试电路 b) 开关过程波形
降时间之和。
up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻，
RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
--
9
6.3
功率MOSFET的主要参数
1、静态参数
1) 通态电阻Ron
在确定的栅压UGS下，由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻。
——它是影响最大输出功率的重要参数，在开关电路中决定了输出幅 度和自身损耗的大小。
61mosfet的结构和工作原理62功率mosfet的基本特性63功率mosfet的主要参数64功率mosfet的安全工作区65功率mosfet的栅极驱动电路功率场效应晶体管mosfet也分为结型和绝缘栅型类似小功率fieldeffecttransistorfet但通常主要指绝缘栅型中的mos型metaloxidesemiconductorfet简称功率mosfetpowermosfet结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管staticinductiontransistorsit功率场效应晶体管mosfet电流容量小耐压低一般只适用于功率不超过10kw的功率电子装置
器件在关断过程中承受很高的再加电压，即dUDS/dt 。
——器件的动态dUDS/dt耐量与本身的耐压水平密切相关。耐压越高， dUDS/dt的耐量越大。
清华模电课件第3讲 场效应管
GS
GS
GS ( off )
GS
GS ( off )
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
2
结型场效应管的特性曲线
I D f U GS
（1）转移特性及特征方程
U DS C
①当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大 饱和漏电流。 ②当UGS＜0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降， 其特征方程为 U GS 2
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
(a)当uDS 0 且uGS 0 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。 (b)当 uGS 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 (c)当 uGS 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道 电阻趋于无穷大，此时u GS 值为夹断电压 U GS (off ) 。
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
u DS 决定耗尽层的楔形程度。 ②当uGS固定时， 若 uDS 0，电流 i D 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与 栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大， 造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。
uGD UGS (off ) （a）
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号 在同一块N型半导体上制 作两个高掺杂的P区，并 将它们连接在一起，引出 的电极称为栅极G，N型 半导体的两端引出两个电 极，一个称为漏极D，一 个称为源极S。P区与N区 交界面形成耗尽层，漏极 和源极间的非耗尽层区域 称为导电沟道。
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响
② uGS 0 时，N沟道已经存在，因此i D不为零，仍记以 IDSS，但不是最大值。
GS
GS ( off )
GS
GS ( off )
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
2
结型场效应管的特性曲线
I D f U GS
（1）转移特性及特征方程
U DS C
①当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大 饱和漏电流。 ②当UGS＜0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降， 其特征方程为 U GS 2
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
(a)当uDS 0 且uGS 0 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。 (b)当 uGS 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 (c)当 uGS 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道 电阻趋于无穷大，此时u GS 值为夹断电压 U GS (off ) 。
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
u DS 决定耗尽层的楔形程度。 ②当uGS固定时， 若 uDS 0，电流 i D 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与 栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大， 造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。
uGD UGS (off ) （a）
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号 在同一块N型半导体上制 作两个高掺杂的P区，并 将它们连接在一起，引出 的电极称为栅极G，N型 半导体的两端引出两个电 极，一个称为漏极D，一 个称为源极S。P区与N区 交界面形成耗尽层，漏极 和源极间的非耗尽层区域 称为导电沟道。
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响
② uGS 0 时，N沟道已经存在，因此i D不为零，仍记以 IDSS，但不是最大值。