下载文档原格式
场效应管的原理和基础知识基本概念场效应管是⼀种受电场控制地半导体器件(普通三极管地⼯作是受电流控制地器件).场效应管应具有⾼输⼊阻抗,较好地热稳定性、抗辐射性和较低地噪声.对夹断电压适中地场效应管,可以找到⼀个⼏乎不受温度影响地零温度系数⼯作点,利⽤这⼀特性,可使电路地温度稳定性达到最佳状态.电⼦电路中常⽤场效应管作放⼤电路地缓冲级、模拟开关和恒流源电路.场效应管按结构可分为结型场效应管(缩写为)和绝缘栅场效应管(缩写为),从导电⽅式看,场效应管分为型沟道型与型沟道型.绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两种,⽽只有耗尽型.⼀、基本结构场效应管是利⽤改变电场来控制半导体材料地导电特性,不是像三极管那样⽤电流控制结地电流.因此,场效应管可以⼯作在极⾼地频率和较⼤地功率.此外,场效应管地制作⼯艺简单,是集成电路地基本单元.场效应管有结型和绝缘栅型两种主要类型.每种类型地场效应管都有栅极、源极和漏极三个⼯作电极,同时,每种类型地场效应管都有沟道和沟道两种导电结构.绝缘栅型场效应管⼜叫做管.根据在外加电压时是否存在导电沟道,绝缘栅场效应管⼜可分为上增强型和耗尽型.增强型管在外加电压时不存在导电沟道,⽽耗尽型地氧化绝缘层中加⼊了⼤量地正离⼦,即使在时也存在导电沟道.沟道绝缘栅型为栅极为源极为漏极衬底结型场效应管地结构与绝缘栅场效应管地结构基本相同,主要地区别在于栅极与通道半导体之间没有绝缘.沟道和沟道结型从场效应管地基本结构可以看出,⽆论是绝缘栅型还是结型,场效应管都是两个背靠背地结.电流通路不是由结形成地,⽽是依靠漏极和源极之间半导体地导电状态来决定地.⼆、电路符号基本参数场效应管地主要技术参数,可分为直流参数和交流参数两⼤类.⼀、夹断电压和开启电压⼀般是对结型管⽽⾔,当栅源之间地反向电压增加到⼀定数以后,不管漏源电压⼤⼩都不存在漏电流.这个使开始为零地电压叫作管⼦地夹断电压⼀般是对管⽽⾔,表⽰开始出现时地栅源电压值.对沟道增强型、沟道耗尽型为正值,对沟道耗尽型、沟道增强型为负值.⼆、饱和漏电流当⽽⾜够⼤时,漏电流地饱和值,就是管⼦地饱和漏电流,常⽤符号表⽰.三、栅极电流当栅极加上⼀定地反向电压时,会有极⼩地栅极电流,⽤符号表⽰.对结型场效应管在之间;对于⽽⾔⼀般⼩于安.正是由于栅极电流极⼩,所以场效应管具有极⾼地阻抗.四、通导电阻五、截⽌漏电流六、跨导七、漏源动态电阻基本特性⼀、转移特性和输出特性⼯程应⽤中最常⽤地是共源极电路地输⼊和输出关系曲线,场效应管地共源极连接是把源极作为公共端、栅极作为输⼊端、漏极作为输出端.由于共源极场效应管地输⼊电流⼏乎为零,因此,其输⼊曲线反映地是栅极电压与漏极电流地关系,叫做转移特性.反映间电压与之间关系地叫做输出曲线.场效应管共源极电路转移特性曲线和输出特性曲线场效应管输出特性有可变电阻(也叫夹断区)、放⼤(也叫恒流区)、截⽌区和击穿区四个⼯作区.这与三极管地饱和、截⽌、放⼤和击穿相似.⼆、截⽌与电阻导通特性场效应管间不导通状态叫做截⽌,此时接近,场效应管没有电流传导地能⼒,相当于开关断开.产⽣截⽌现象地原因,是此时场效应管没有形成导电沟道.场效应管输出特性曲线中与之间呈线性关系地区域叫做电阻区,⼆者之间地关系可近似为其中为导通电阻,⼀般都很⼩.在电阻区,场效应管地之间近似为⼀个不变电阻.⽆论是在电阻区还是截⽌区,场效应管地电流控制能⼒很微弱,这是在应⽤设计中必须⼗分注意地问题.在设计模拟信号电路时,⼀定要使电路⼯作在场效应管地放⼤区,避免进⼊电阻区和截⽌区.在设计开关电路时,要使电路能很快地在电阻和截⽌状态之间转换,避免进⼊放⼤区.使⽤场效应管时,应当注意以下⼏个问题:()为了防⽌栅极击穿,要求⼀切测试仪器、电路本⾝、电烙铁都必须良好接地.焊接时,⽤⼩功率烙铁迅速焊接,或拔去电源⽤余热焊接,并应先焊源极,后焊栅极.()场效应管输送阻抗较⾼,故在不使⽤时,必须将引出线短路,以防感应电势将栅极击穿则不可短路.()要求⾼输⼊阻抗地线路,须采取防潮措施,以免使输⼊阻抗显著降低.()场效应管栅极有地可加正压或负压,⽽常⽤地结型场效应管因是沟道耗尽型,栅极只能加负压.()场效应管地漏极和源极通常制成对称地,除源极和衬底制造时连在⼀起地管⼦外,漏极和源极可互换使⽤.。
绝缘栅场效应管（IGFET）的基本知识绝缘栅场效应管(IGFET) 的基本知识1.增强型NMOS管s：Source 源极，d：Drain 漏极，g：Gate 栅极，B：Base 衬底，在P型衬底扩散上2个N 区，P型表⾯加S i O2绝缘层，在N 区加铝线引出电极。
2.增强型PMOS管在N型衬底上扩散上2个P 区，P型表⾯加S i O2绝缘层，在⼆个P 区加铝线引出电极。
PMOS与NMOS管的⼯作原理完全相同，只是电流和电压⽅向不同。
3.增强型NMOS管的⼯作原理正常⼯作时外加电源电压的配置：(1)V GS=0, V DS=0：漏源间是两个背靠背串联的PN结，所以d-s间不可能有电流流过，即i D≈0。
(2)当V GS＞0，V DS=0时：d-s之间便开始形成导电沟道。
开始形成导电沟道所需的最⼩电压称为开启电压V GS(th)(习惯上常表⽰为V T)。
沟道形成过程作如下解释：此时，在栅极与衬底之间产⽣⼀个垂直电场(⽅向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表⾯感应出电⼦层(反型层)使两个N 区沟通，形成N型导电沟道。
如果，此时再加上V DS电压，将会产⽣漏极电流i D。
当V GS＝0时没有导电沟道，⽽当V GS增强到＞V T时才形成沟道，所以称为增强型MOS 管。
并且V GS越⼤，感应电⼦层越厚，导电沟道越厚，等效沟道电阻越⼩，i D越⼤。
(3)当V GS>VT，V DS>0后，漏-源电压V DS产⽣横向电场：由于沟道电阻的存在，i D沿沟道⽅向所产⽣的电压降使沟道上的电场产⽣不均匀分布。
近s端电压差较⾼，为V GS；近d端电压差较低，为V GD＝V GS-V DS，所以沟道的形状呈楔形分布。
1)当V DS较⼩时：V DS对导电沟道的影响不⼤，沟道主要受V GS控制，所以V GS为定值时，沟道电阻保持不变，i D随V DS增加⽽线性增加。
此时，栅漏间的电压⼤于开启电压，沟道尚未夹断，。
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。
通俗易懂讲解MOS管什么是MOS管？MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。
因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。
在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。
1、MOS管的构造在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。
然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（Si02）绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。
这就构成了一个N沟道（NPN型）增强型MOS管。
显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。
图1-1所示 A 、B分别是它的结构图和代表符号。
同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道（PNP型）增强型MOS 管。
下图所示分别是N沟道和P沟道MOS管道结构图和代表符号。
2、MOS管的工作原理增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。
当栅-源电压VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道（没有电流流过），所以这时漏极电流ID=0。
此时若在栅-源极间加上正向电压，即VGS＞0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT（一般约为 2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。
绝缘栅型场效应管在结型场效应管中，栅极和沟道间的PN结是反向偏置的，所以输入电阻很大。
但PN结反偏时总会有一些反向电流存在，这就绑缚了输入电阻的进一步跋涉。
假定在栅极与沟道间用一绝缘层离隔，便制成了绝缘栅型场效应管，其输入电阻可跋涉到。
依据绝缘层所用资料之纷歧样，绝缘栅场效应管有多品种型，现在运用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层的金属一氧化物一半导体（Meial-Oxide-Semiconductor）场效应管，简称MOS场效应管（MOSFET）。
它也有N沟道和P沟道两类，每类按构造纷歧样又分为增强型和耗尽型。
一、增强型MOS管1．构造与符号图Z0125是N沟道增强型MOS管的构造暗示图和符号。
它是在一块P型硅衬底上，涣散两个高浓度掺杂的N+区，在两个N+区之间的硅外表上制造一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在SiO2和两个N型区外表上别离引出三个电极，称为源极s、栅极g和漏极d。
在其图形符号中，箭头标明漏极电流的实习方向。
2．作业原理绝缘栅场效应管的导电机理是，运用UGS操控"感应电荷"的多少来改动导电沟道的宽窄，然后操控漏极电流ID。
若UGS＝0时，源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管，UGS＝0时，漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。
图Z0125中衬底为P型半导体，在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝，假定在金属铝层和半导体之间加电压UGS，则金属铝与半导体之间发作一个笔直于半导体外表的电场，在这一电场效果下，P型硅外表的大都载流子-空穴遭到架空，使硅片外表发作一层短少载流子的薄层。
一同在电场效果下，P型半导体中的少量载流子-电子被招引到半导体的外表，并被空穴所捕获而构成负离子，构成不行移动的空间电荷层（称耗尽层又名受主离子层）。
UGS愈大，电场架空硅外表层中的空穴愈多，则耗尽层愈宽，且UGS愈大，电场愈强；当UGS增大到某一栅源电压值VT（叫临界电压或翻开电压）时，则电场在架空半导体外表层的大都载流子-空穴构成耗尽层往后，就会招引少量载流子-电子，继而在外表层内构成电子的堆集，然后使正本为空穴占大都的P型半导体外表构成了N型薄层。
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（108W～109W）、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、场效应晶体管的型号命名方法现行场效应管有两种命名方法。
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。
三、场效应管的参数1、IDSS —饱和漏源电流。
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。
它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。
在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。
绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。
每种又有增强型和耗尽型两类。
下面简单介绍它们的工作原理。
1、增强型绝缘栅场效应管2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。
另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
它的栅极与其他电极间是绝缘的。
图6-38(b)所示是它的符号。
其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
图6-38 N沟道增强型场效应管场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。
从图6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。
当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。
