2022-2023学年高二物理竞赛课件：场效应管放大电路

场效应管放大电路 场效应半导体三极管是仅由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的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1. 结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2. 绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET） 场效应管放大电路 4 场效应管放大电路 2.分类 FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 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） 1.场效应管的特点 (1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。 (4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 5.1.3 P沟道MOSFET 5.1.4 沟道长度调制效应 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 MOSFET 绝缘栅型 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor —— MOSFET 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 1.结构 (动画) 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极， 6 N沟道增强型MOS场效应管结构 漏极D→集电极C 源极S →发射极E 栅极G→基极B 衬底B 电极—金属 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管 增强型 2.N沟道增强型场效应管的工作原理 （1）栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时 因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。 当 0＜VGS＜VT (开启电压)时 通过栅极和衬底间的电场作用， 将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。 UDS ID + + - - + + - - UGS 8 的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。 当VGS＞VT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区 （1）栅源电压VGS的控制作用 UDS ID + + - - + + - - + + + + - - - - UGS 反型层 9 （1）vGS对沟道的控制作用 当vGS≤0时 无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。 当0<vGS <VT 时 产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。 当vGS >VT 时 在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。 vGS越大，导电沟道越厚 VT 称为开启电压 2. 工作原理 2. 工作原理 (2)漏源电压VDS 对沟道导电能力的影响 UDS=UDG＋UGS =－UGD＋UGS UGD=UGS－UDS 当U