4.6场效应管器件(简)
场效应管工作原理及应用
场效应管工作原理（1）场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。
而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
见下图。
二、场效应三极管的型号命名方法现行有两种命名方法。
第一种命名方法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。
常用场效应管参数及代换
常用场效应管参数及代换场效应管（Field Effect Transistor，FET）是一种用来放大和控制电流的电子元件。
它是由一个金属门极与两个半导体区域（源极和漏极）组成。
在常见的场效应管中，有三种主要类型：结型场效应管（JFET），增强型场效应管（MOSFET）和绝缘栅极场效应管（IGBT）。
本文将重点介绍增强型场效应管（MOSFET）的常用参数及其代换方法。
一、常用参数1.电流参数(i)静态漏极电流（IDSS）：在门极电压VGS=0时，漏极电流的值。
(ii) 静态漏极电流温度系数：静态漏极电流随温度变化的变化率。
(iii) 动态漏极电流（ID）：在特定的电压和温度条件下，从漏极流出的电流的值。
2.电压参数(i)额定漏极到源极电压（VDS）：漏极和源极之间的最大电压。
(ii) 额定源极到栅极电压（VGS）：源极和栅极之间的最大电压。
(iii) 阈值电压（VT）：当栅极电压超过阈值电压时，通道开始导电。
(iv) 栅极欠压（VGS（th））：栅极电压低于这个电压时，场效应管处于截止区。
(v) 漏极饱和电压（VDS（sat））：漏极电压达到饱和时，在这个电压下，漏极与源极之间的电流达到最大值。
(vi) 最大可承受漏极电流（IDM）：超过这个电流值时，场效应管可能损坏。
3.输入参数(i) 栅极输入电容（Cgs）：栅极和源极之间的电容。
(ii) 栅极反向传导（gfs）：源极电流变化与栅极电压变化之间的比例关系。
4.输出参数(i) 漏极输出电容（Cds）：漏极和源极之间的电容。
(ii) 漏极跟随导纳（gd）：漏极电流变化与漏极电压变化之间的比例关系。
5.尺寸参数(i)源极宽度（W）：源极沿着通道长度方向的尺寸。
(ii) 通道长度（L）：源极和漏极之间的距离。
二、代换方法1.输出导纳代换场效应管的漏极跟随导纳gd可以用其中一个公式进行代换：gd ≈ 2IDSS/VGS（th）2.输出电容代换输出电容Cds可以用其中一个公式进行代换：Cds ≈ CM + CGS x VDS/VGS其中CM是一个常数，等于通道本身的电容，CGS是栅极和源极之间的电容。
场效应管接法
场效应管（Field-Effect Transistor，简称FET）是一种半导体器件，常用于放大和开关电路。
根据不同的接法，场效应管可以分为三种基本接法：共源极接法、共漏极接法和共栅极接法。
1.共源极接法（Common Source Configuration）：
在这种接法中，信号输入连接到场效应管的栅极（Gate），信号输出则从漏极（Drain）获得。
源极（Source）通过一个电阻连接到地，起到稳定偏置的作用。
这种接法适用于放大电路，增益较高，但输出相位与输入相位相反。
2.共漏极接法（Common Drain Configuration）：
在这种接法中，信号输入连接到场效应管的栅极，信号输出则来自源极。
漏极通过一个电阻连接到电源正极，起到稳定偏置的作用。
这种接法适用于缓冲放大电路，输出与输入相位一致，且具有较低的输出阻抗。
3.共栅极接法（Common Gate Configuration）：
在这种接法中，信号输入连接到场效应管的源极，信号输出则从漏极获得。
栅极通过一个电阻连接到电源正极，起到稳定偏置的作用。
这种接法适用于高频放大和开关电路，具有较低的输入阻抗和高的增益。
这些接法根据场效应管不同的引脚连接方式，可满足不同的电路设计需求。
值得注意的是，在实际应用中，还需要考虑电源电压、电流限制、电路参数匹配以及静态工作点的选择等因素，以确保电路正常工作和性能优良。
因此，在使用场效应管时，建议参考相关的技术资料、电路图和应用手册，并进行合理的电路设计和测试验证。
场效应管介绍
场效应管原理场效应管是只有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半导体器件。
有N沟道器件和P沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。
1.1 1.1.1MOS场效应管MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管一、工作原理1．沟道形成原理当VGS=0 V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。
当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(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，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（VGS(th) 称为开启电压），由于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ID。
在栅极下方形成的导电沟1线性电子电路教案道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。
随着VGS的继续增加，ID将不断增加。
场效应管
MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和 P沟道增强型管。
MOS管的特点
输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易 集成。
N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点
1. 工作原理
绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”
的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的
一、结型场效应管(JFET)
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。
N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
（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。
直流输入电阻 RGS ：其等于栅源电压与栅极电流之比，结型管的 RGS 大于10^7 欧，而MOS管的大于10^9欧。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控 制作用。 ΔI D gm ΔU GS U DS 常数 单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：
① uGS 0时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加， 由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减 小，漏电流成指数规律的增加。
简述场效应管的主要参数
简述场效应管的主要参数
场效应管(Field Effect Transistor,简称FET)是一种基于半导体物理学原理的集成电路器件,是晶体管的一种。
它是一种通过电子在半导体材料表面电场的作用下进行移动来调节电流的器件。
FET具有高输入阻抗、低噪声、低功耗、高可靠性等特点,因此在许多计算机、通信和电子设备中得到了广泛的应用。
FET的主要参数包括:
1. 栅极电压(Gate-to-Channel voltage):栅极电压是控制电流流动的关键参数,它决定了FET的导电性能。
通常,栅极电压越高,FET的导电性能越好,但也会使其功耗增加。
2. 漏极电压(Channel-to-Source voltage):漏极电压是FET的输入电压,它决定了FET的放大倍数。
FET具有输入电阻大、非线性低等特点,因此漏极电压较低时,FET的放大倍数较高。
3. 漏极电流(Channel-to-Source电流):漏极电流是FET的放大倍数和输出能力的重要参数。
当漏极电压较低时,FET的电流较小,因此输出能力较弱;当漏极电压较高时,FET的电流较大,因此输出能力增强。
4. 工作频率:FET的工作频率取决于栅极和漏极之间的电阻和栅极电压。
FET的电阻较大,因此其工作频率较高。
5. 功率:FET的功率取决于栅极和漏极之间的电流和工作频率。
FET的功率较小,因此在小型设备中应用广泛。
除了以上主要参数外,FET还有其他参数,如栅极材料、漏极材料、极化方向等。
这些参数的选择会影响到FET的性能和应用。
此外,FET还具有可编程、反向输入等特点,因此广泛应用于控制和调节电路中。
六种场效应管
六种场效应管场效应管（Field-Effect Transistor，简称FET）是一种非常重要的电子器件，它能够通过控制输入电场来调节输出电流。
场效应管分为MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和JFET（结型场效应管）两大类，每类中又分为增强型和耗尽型。
第一种场效应管是N沟道增强型MOSFET（N-Channel Enhanced MOSFET）。
N沟道增强型MOSFET是一种双极性器件，其栅极和漏极之间的电场控制输出电流。
当栅极电压为正值时，它吸引正极性的载流子，导致漏极电流增加。
N沟道增强型MOSFET通常用于低功率应用，如放大器和开关电路。
第二种场效应管是N沟道耗尽型MOSFET（N-Channel Depletion MOSFET）。
N沟道耗尽型MOSFET的工作原理与N沟道增强型MOSFET类似，但是它的栅极电压为0伏时有输出漏极电流，因此被称为耗尽型。
N沟道耗尽型MOSFET通常用于特定应用，如电压参考电路和电流源。
第三种场效应管是P沟道增强型MOSFET（P-Channel Enhanced MOSFET）。
P沟道增强型MOSFET与N沟道增强型MOSFET原理相同，但是它使用了P型半导体材料。
当栅极电压为负值时，它吸引负极性的载流子，导致漏极电流增加。
P沟道增强型MOSFET通常用于低功率应用和负电压电路。
第四种场效应管是P沟道耗尽型MOSFET（P-Channel Depletion MOSFET）。
P沟道耗尽型MOSFET与P沟道增强型MOSFET原理相同，只是栅极电压为0伏时有输出漏极电流。
P沟道耗尽型MOSFET通常用于特定应用，如负电压参考电路和负电流源。
第五种场效应管是结型场效应管（Junction Field-Effect Transistor，简称JFET）。
JFET是一种单极性器件，通过控制栅源电压来调节输出电流。
JFET分为N沟道和P沟道两种类型，其工作原理均基于P-N结的特性。
场效应管讲解
例5.2.1 P212
设VDS VGS VT，工作于饱和区
VGS
Rg 2 Rg1 Rg 2
VDD
40 5 2V 60 40
I DQ Kn (VGS VT )2 0.2 (2 1)2 0.2mA
VDS VDD I D Rd 5 0.2 15 2V 判断VDS 2V (VGS VT )=1V，成立
MOS电容
SiO2绝缘层
+ + + + + - - - - - -
金属铝
E
P
P型基底
电子反型层
SiO2绝缘层
掺入了大量的碱金 属正离子Na+或K+
+ + + + +
金属铝
- - - - - -
P
P型基底
电子反型层
一、结构和电路符号 S
G
D
金属铝
D
两个N区 N
P
N P型基底 SiO2绝缘层
G S
导电沟道
耗尽型的MOS管vGS=0时就有导电沟道，加反向 电压才能夹断。
iD 转移特性曲线
vGS VP 0
输出特性曲线
iD
vGS>0 vGS=0 vGS<0
0 vDS
四、说明：
（1）MOS管有四种基本类型；
（2）增强型的MOS管的vGS必须超过一定的值以使沟 道形成； 耗尽型的MOS管使形成沟道的vGS可正可负； （3）MOS管的输入阻抗特别高
N沟道增强型
S
G
D D
N
P
N
G
S
N 沟道耗尽型
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N+ N型感生沟道 P
N+
ID
N+ N型感生沟道 P
N+
一但出现了感应沟 道，原来被P型衬底隔 开的两个N+型区(源极 和漏极)，就被感应沟 道连在一起了。因此， 在漏源电压的作用下， 将有漏极电流ID产生。 能形成导电沟道的最小 栅源电压，叫开启电压 UGS（th）。
4.8,
4.10, 4.11,
4.13,
4.15
最大漏源电压BUDS
• 最大漏源电压 是指漏极电流 开始急剧上升， 发生雪崩击穿 时所对应的 UDS值。
BU DS
漏极特性曲线
漏极最大耗散功率PDSM
PDS U DS I D PDSM
PDSM与三极管的PCM意义相同
N沟道耗尽型绝缘栅场效应管
1. 结构及符号
源极
S
栅极
G
漏极
D
正离子
D 漏极
U GS ( th）
低频跨导gm
• 在UDS＝常数时， 漏极电流的微变量 与引起这个微变量 的栅源电压的微变 量之比称为跨导， 即
I D
U GS
I D gm |U U GS
DS const
跨导gm反映了栅 源电压UGS对漏极电流 ID的控制能力。它相 当于转移特性上工作 点处的斜率。
I D f (U DS ) |U
GS const
漏极特性曲线
从漏极特性曲线上可以划分为四个区，即： 可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。
可变电阻区
此区域内，UDS 很小，对沟道的影 响可忽略，导电沟 道主要受UGS的控制。 UGS越大，导电沟道 越宽，呈现出的电 阻就越小。
漏极特性曲线
ID
I D f (U GS ) |U
DS const
主要参数
• 开启电压UGS（th） • 低频跨导gm • 最大漏源电压BUDS • 漏极最大耗散功率PDSM
开启电压UGS（th） • 当UDS为某一固 定值时，使沟道 将漏、源极连接 起来的最小栅源 电压UGS就是开 启电压UGS（th） 它只适用于增强 型场效应管。
特点
• 基本上不需要信号源提供电流； • 输入阻抗很高（可达109~1015Ω）； • 受温度和辐射等外界因素影响小， 制造工艺简单、便于集成化等； • 只有多数载流子参与导电，所以又 称其为单极性晶体管。
场效应管的分类
• • • • 按封装形式分：塑料封装和金属封装 按功率大小分：小功率、中功率和大功率 按频率特性分：低频管、中频管和高频管 按结构特点分：结型（JFET）和绝缘栅型 （MOSFET） • 按导电沟道的不同还可分为：N沟道和P沟道， 而绝缘栅型又可细分为N沟道增强型和耗尽型， P沟道增强型和耗尽型两种。
4.6 场效应管 •概述 •场效应管的分类 •N沟道绝缘栅型场效应管 （NMOS管）
概述
• 场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载 流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱 的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其 英文名称为：Metal Oxide Semiconductor
简称为MOS管。
• 场效应管的外型与晶体管（三极管）相似，但 它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如 下特点：
N N
N型导电沟道 P型硅衬底
Si O2
G 栅极
S 源极
符号
结构图
工作原理
1. 在UDS为常值的条 件下，当UGS=0时，由 于漏、源间有原始导 电沟道存在，因此在 漏源电压UDS的作用下， 漏、源间有电流，其 电流称为原始导电沟 道形成的漏极电流， 用IDSS 表示。
N+ N型感生沟道 P
N+
漏极特性曲线
当UGS> UGS（th）时，如图所示，则UDS在 较小范围内变化且增大时，漏极电流ID将随 UDS增加而呈线性增加。
恒流区
当UDS较大时，出 现恒流特性，ID不再 随UDS的增大而增大 而是趋于饱和。在恒 流区，ID仅受UGS的 控制，与UDS无关 。
漏极特性曲线
夹断区（截止区）
UGS< UGS（th）
N+
N+
漏极特性曲线
当0 UGS< UGS（th）时，导电沟道没有有效形成， 场效应管仍处于截止状态， ID0 。
击穿区
• 在一定的UGS下， 当UDS增大到某 一数值时，漏极 电流ID急剧增加， 称为场效应管被 击穿。
漏极特性曲线
转移特性曲线——输入特性
场效应管 结型
绝缘栅型 （MOS管）
增强型 耗尽型
N沟道 耗尽型
D G S G
P沟道 耗尽型
D
N沟道
D S
P沟道
D
N沟道
D
P沟道
D
G
S
G
S
G
G
S S
N沟道绝缘栅型场效应管 （NMOS管）
•N沟道增强型 绝缘栅场效应管 •N沟道耗尽型 绝缘栅场效应管
N沟道增强型绝缘栅场效应管 • 结构及符号 • 工作原理 • 特性曲线 • 主要参数
N N
N型导电沟道 P型硅衬底
Si O2
结构图
3. 当UGS为正时，沟道中感应的电子数量增 多，沟道电阻减小，则漏极电流增大。由此可 见耗尽型绝缘栅场效应管，由于存在原始电子 沟道，不论栅源电压为零、为正或为负均可工 作，这是该管的重要特点。
特性曲线
ID (mA) 5 4 3 -1V 2 1 0 5 10 15 -2V IDSS UGs=0V
当 uGS (off ) uGS 0时
1V
I D I DSS (1
u GS u GS ( off )
ID (mA)
)2
-3V
20 U (V) Ds UGs(off) 0 UGs(V)
N沟道耗尽型绝缘栅场效应管特性曲线 (a) 输出特性曲线 (b) 转移特性曲线
本章作业 P199
4.2, 4.3(b),(c) 4.5, 4.S
栅极
G
漏极
D
Al
N
D 漏极
N
SiO2
G 栅极
B 衬底
S 源极
P型硅衬底
符号
B 衬底
结构图
工作原理
• 绝缘栅场效应管是 利用栅源电压的大 小，来改变半导体 表面感应电荷的多 少，从而控制漏极 电流的大小。
S G D
N+ P
N+
1.UGS=0时，没 有导电沟道
G S D
2.UGS>UGS（th）时，出现N沟道
源极
S
栅极
G
漏极
D
正离子
N N
N型导电沟道 P型硅衬底
Si O2
结构图
2. 当UGS为负时(外加 反向电压)，由于沟道 中感应的电子数减少， 沟道电阻增大，使漏 极电流减小。当UGS= UGS（off)时，沟道完全 被夹断，ID=0
源极
S
栅极
G
漏极
D
正离子
工作原理总结
增强型绝缘栅场效应管只有在 UGS＞ UGS（th）时，调节UGS的大小， 可改变导电沟道的厚度，从而在相同 的UDS 作用下，有效的控制漏极电流
ID的大小，即电压控制电流特性。
特性曲线
• 漏极特性曲线 ——输出特性 • 转移特性曲线 ——输入特性
漏极特性曲线 ——输出特性
• 漏极特性曲线 是指在一定的 栅源电压UGS作 用下，漏极电 流ID与漏源电 压UDS之间的关 系曲线：