場(chǎng)效應(yīng)晶體管正式

1、(1-1)場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩種: 第第8章章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管 場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。 從場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有兩大類。 1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET (Junction type Field Effe

2、ct Transister) 2.絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）8.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管 (1)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu) JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如圖01所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。 圖01 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(1-5)N基底 ：N型半導(dǎo)體PP兩邊

3、是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極結(jié)構(gòu)導(dǎo)電溝道(1-6)NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS(1-7)PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS (2) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理 根據(jù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對(duì)于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。現(xiàn)以N溝道為例說(shuō)明其工作原理。 (1-9)工作原理（以P溝道為例）UDS=0V時(shí)PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。(1-10)PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時(shí)NNUGS

4、越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)UGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。(1-11)PGSDUDSUGSNNUDS=0時(shí)UGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使UDS 0V，漏極電流ID=0A。ID(1-12)PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大ID(1-13)PGSDUDSUGSUGSVp且UDS較大時(shí)UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。ID(1-14)GSDUDSUGSUGSVp UGD=VP時(shí)NN漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。UDS增大則被夾

5、斷區(qū)向下延伸。ID(1-15)GSDUDSUGSUGS0時(shí)UGS足夠大時(shí)（UGSVT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓(1-33)UGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來(lái)，UGS越大此電阻越小。PNNGSDUDSUGS(1-34)PNNGSDUDSUGS當(dāng)UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)UDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。(1-35)PNNGSDUDSUGS夾斷后，即使UDS 繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT 時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。工作原理 1柵源電壓VGS的控制作用 當(dāng)VGS=

6、0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0VGSVGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。 VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用 ID=f(VGS)VDS=const 這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖5。 進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時(shí)（ VGS(th) 稱為開(kāi)啟電壓)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多

7、的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。 隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。 圖5 VGS對(duì)漏極電流的控制特性 轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm=ID/VGS VDS=const (單位mS) ID=f(VGS)VDS=const 2漏源電壓VDS

8、對(duì)漏極電流ID的控制作用 當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖06所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系 VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖06(a)，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。圖06(a) 漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響 當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖06(a)，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。 當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時(shí)，溝道如圖06(b)所示。這相當(dāng)于V

9、DS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱為預(yù)夾斷。 當(dāng)VDS增加到VGSVGS(th)時(shí)，溝道如圖06(c)所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。 當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時(shí)， VDS對(duì)ID的影響，即ID=f(VDS)VGS=const這一關(guān)系曲線如圖7所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。圖7 漏極輸出特性曲線ID=f(VDS)VGS=const8.3 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)(1) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù) 開(kāi)啟電壓VGS(th) (或VT) 開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值, 場(chǎng)效應(yīng)

10、管不能導(dǎo)通。 夾斷電壓VGS(off) (或VP) 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時(shí),漏極電流為零。 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。 輸入電阻RGS 場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107，對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。 最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。

11、(2) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào) 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào), 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。半導(dǎo)體三極管圖片8.4 雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較 雙極型三極管 場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu) NPN型 結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡

12、型 N溝道 P溝道 C與E一般不可倒置使用 D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子 多子擴(kuò)散少子漂移 多子漂移輸入量 電流輸入 電壓輸入控制 電流控制電流源CCCS() 電壓控制電流源VCCS(gm) 雙極型三極管 場(chǎng)效應(yīng)三極管噪聲 較大 較小溫度特性 受溫度影響較大 較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻 幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上靜電影響 不受靜電影響 易受靜電影響集成工藝 不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成8.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管 (1)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu) JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如圖01所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。 圖01 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(1-49)工作原理（以P溝道為例）UDS=0V時(shí)PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。(1-50)PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大ID (3)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線 JFET的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過(guò)MOSFET的柵壓可正、可負(fù)，