-場效應(yīng)晶體管課件

1、場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管的特點結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管第四節(jié)一二三第四章第四節(jié) 場效應(yīng)晶體管分類絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管第四節(jié)場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管，用FET來表示 （Field Effect Transistor）。一、絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管是一種金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS管。MOS管按工作方式分類增強(qiáng)型MOS管耗盡型MOS管N溝道P溝道N溝道P溝道第四節(jié)（一）N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理NNb-襯底引線sgdP襯底bSiO2絕緣層g-柵極S-源極d-漏極N型區(qū)ggssddbb箭頭方向是區(qū)別N溝道與P溝道的標(biāo)志符號第四節(jié)N溝道P溝道鋁1.結(jié)構(gòu)2.工作原理（1）感生溝

2、道的形成過程在電場的作用下，可以把P型襯底表面層中多數(shù)載流子空穴全部排斥掉，形成空間電荷區(qū)。當(dāng)uGS增加到某一臨界電壓(UT)值時，吸引足夠多的電子，在P型半導(dǎo)體的表面附近感應(yīng)出一個N型層,形成反型層漏源之間的導(dǎo)電溝道。 開始形成反型層的uGS稱為開啟電壓(UT)。uGS越高，電場越強(qiáng)，感應(yīng)的電子越多，溝道就越寬。uGSgb自由電子反型層耗盡區(qū)第四節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)來改變導(dǎo)電通道的寬窄，從而控制漏-源極間電流的大小。柵極和源極之間加正向電壓耗盡區(qū)鋁SiO2襯底 P型硅gbuGS受主離子空穴（2）柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用在柵源電壓uGS=0時，沒有導(dǎo)電溝道。漏源極之間存

3、在兩個背向PN結(jié)，其中一個為反向偏置，只能流過很小的反向飽和電流，iD0。增大VGG，使uGS=UT時形成導(dǎo)電溝道。在正向漏源電壓作用下，溝道內(nèi)的多子（電子）產(chǎn)生漂移運動，形成漏極電流iD。uGS變大iD變大溝道寬度變寬溝道電阻變小NNVDDVGGsdbgiDPN溝道uGSUT時才能形成導(dǎo)電溝道第四節(jié)uGS對iD的控制作用：（3）漏源電壓uDS對漏極電流iD的影響uGSUT 時，溝道形成。當(dāng)uDS較小，即uGDUT時，溝道寬度受uDS的影響很小，溝道電阻近似不變，iD隨uDS的增加呈線性增加。當(dāng)uDS增大時，溝道各點與柵極間電壓不等，使溝道從源極向漏極逐漸變窄。隨著uDS增大，溝道電阻迅速增大

4、，iD不再隨uDS線性增大。繼續(xù)增大uDS ，則uGD UTuGD=UTuGDUT，uDS很小，uGDUT的情況。若uGS不變，溝道電阻rDS不變，iD隨uDS的增大而線性上升。特uGS變大， rDS變小，看作由電壓uGS控制的可變電阻。N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性第四節(jié) 截止區(qū)特點：該區(qū)對應(yīng)于uGSUT的情況由于沒有感生溝道，故電流iD0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。2468101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2 恒流區(qū)（飽和區(qū)）區(qū)對應(yīng) 預(yù)夾斷后，uGSUT，uDS很大，uGDUT）其中K為常數(shù)，由管子結(jié)構(gòu)決定，可以估算出來。第四節(jié)UT（三）N溝道增強(qiáng)型MOS管的

5、主要參數(shù)主要參數(shù)直流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)第四節(jié) 1.直流參數(shù)（2）直流輸入電阻RGS（1）開啟電壓UT在襯底表面感生出導(dǎo)電溝道所需的柵源電壓。實際上是在規(guī)定的uDS條件下，增大uGS，當(dāng)iD達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時所需要的uGS值。在uDS=0的條件下，柵極與源極之間加一定直流電壓時，柵源極間的直流電阻。RGS的值很大，一般大于 。第四節(jié)2.交流參數(shù)定義：當(dāng)uDS一定時，漏極電流變化量與引起這一變化的柵源電壓變化量之比，即gm相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性的斜率，反映了場效應(yīng)管的放大能力。它可以從輸出特性上求出，或根據(jù)轉(zhuǎn)移特性的表達(dá)式求導(dǎo)數(shù)得到。（2）極間電容：柵、源極間電容Cgs和柵、漏極間電容Cgd，它影響高頻性

6、能的交流參數(shù)，應(yīng)越小越好。第四節(jié)（1）跨導(dǎo)gm3.極限參數(shù)是指場效應(yīng)管工作時，允許的最大漏極電流。是指管子允許的最大耗散功率，相當(dāng)于雙極型晶體管的PCM。第四節(jié)2468101214160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（1）漏極最大允許電流IDM（2）漏極最大耗散功率PDM在輸出特性上畫出臨界最大功耗線。是指在uDS=0時，柵源極間絕緣層發(fā)生擊穿，產(chǎn)生很大的短路電流所需的uGS值。擊穿將會損壞管子。是指在uDS增大時，使iD開始急劇增加的uDS值。（3）柵源極間擊穿電壓U(BR)GS（4）漏源極間擊穿電壓U(BR)DS極限參數(shù)U(BR)DS此時不僅產(chǎn)生溝道中的電子參與導(dǎo)電，空間電荷

7、區(qū)也發(fā)生擊穿，使電流增大。第四節(jié)2468101214160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（四）N溝道耗盡型MOS管1.工作原理VDDNNsgdbPiDN溝道結(jié)構(gòu)示意圖SiO2絕緣層中摻入大量的正離子。P襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，存在導(dǎo)電溝道。在uGS=0時當(dāng)uGS0時感生溝道加寬，iD增大。感生溝道變窄，iD減小。當(dāng)uGS達(dá)到某一負(fù)電壓值UP時，抵消了由正離子產(chǎn)生的電場，導(dǎo)電溝道消失，iD0，UP稱為夾斷電壓。當(dāng)uGS0時第四節(jié)sgdb符號輸出特性轉(zhuǎn)移特性2468101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-32

8、4681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.特性曲線預(yù)夾斷軌跡方程：轉(zhuǎn)移特性曲線方程：其中IDSS是uGS=0時的iD值，稱為零偏漏級電流，也稱飽和漏極電流。第四節(jié)3.主要參數(shù)實際測量時，是在規(guī)定的uDS條件下，使iD減小到規(guī)定的微小值時所需的uGS值。該電流為uDS在恒流區(qū)范圍內(nèi)，且uGS=0v時的iD值，亦稱飽和漏極電流。第四節(jié)（1）夾斷電壓UP是指導(dǎo)電溝道完全夾斷時所需的柵源電壓。（2）零偏漏極電流IDSS它反映了零柵壓時原始溝道的導(dǎo)電能力。iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V二、結(jié)型場效應(yīng)管JFET(Junction F

9、ield Effect Transistor)兩個P+區(qū)中間的N型半導(dǎo)體，在加上正向uDS電壓時就有電流流過，故稱為N溝道。S-源極g-柵極d-漏極NPN溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖第四節(jié)S-源極g-柵極d-漏極NP當(dāng)uGS=0時，就有導(dǎo)電溝道存在，故而這種管子也屬于耗盡型場效應(yīng)管。sdgVDDVGGP溝道uGSuDSiDNsgd符號第四節(jié)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管電路圖sdgVGGPuGS改變uGS的大小，就可以改變溝道寬窄，即改變溝道的電阻，從而控制iD的大小。這與絕緣柵場效應(yīng)管是一樣的。dN溝道空間電荷區(qū)sgPuGS=0sdgVGGPuGSUPuGSUPuGD=UPuGDUPuDS對導(dǎo)電溝道的影響

10、VGGsdgVDDsdgVDDVGG隨著uDS增大，PN結(jié)加寬，將產(chǎn)生預(yù)夾斷。第四節(jié)UP0，則兩個PN結(jié)是正向偏置，將會產(chǎn)生很大的柵極電流，有可能損壞管子。IDSS2468101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲線第四節(jié)三、場效應(yīng)管的特點場效應(yīng)管與雙極型晶體管相比：（）場效應(yīng)管中，導(dǎo)電過程是多數(shù)載流子的漂移運動，故稱為單極型晶體管；雙極型晶體管中既有多子的擴(kuò)散運動又有少子的漂移運動。（）場效應(yīng)管是通過柵極電壓uGS來控制漏極電流iD，稱為電壓控制器件；雙極型晶體管是利用基極電流iB（或射極電流iE）來控制集電極電流iC，稱為電流控制器件。

11、第四節(jié)（）場效應(yīng)管的輸入電阻很大；晶體管的輸入電阻較小。注意：MOS管在使用時應(yīng)避免懸空，保存不用時必須將各級間短接；焊接時電烙鐵外殼要可靠接地。sgdRDZ1DZ2柵極過壓保護(hù)電路當(dāng)電壓過高時，將有一個穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓，限制了uGS的增大，起到保護(hù)管子的作用。第四節(jié)特點（）場效應(yīng)管的跨導(dǎo)gm的值較小，雙極型晶體管的值很大。在同等條件下，場效應(yīng)管的放大能力不如晶體管高。（）結(jié)型場效應(yīng)管的漏極和源極可以互換使用，MOS管如果襯底沒有和源極接在一起，也可將d、s極互換使用；雙級型晶體管的c和e極互換則稱為倒置工作狀態(tài)，此時將變得非常小。（6）場效應(yīng)管可作為壓控電阻使用。特點第四節(jié)(7）場效應(yīng)管是依靠

12、多子導(dǎo)電，因此具有較好的溫度穩(wěn)定性、抗輻射性和較低的噪聲。由圖可見，不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性的交點Q（即工作點）的ID、UDS幾乎不受溫度影響。晶體管的溫度穩(wěn)定性差，抗輻射及噪聲能力也較低。Q+125+25T= -55iD(mA)uGS(V)uDS=10V場效應(yīng)管還有一些缺點：如功率小，速度慢等。但由于它工藝簡單，易于集成，故廣泛應(yīng)用于集成電路。第四節(jié)特點本 節(jié) 要 點1. N溝道增強(qiáng)型MOS管場效應(yīng)管是利用柵-源極外加電壓uGS產(chǎn)生的電場效應(yīng)來改變導(dǎo)電通道的寬窄，從而控制漏-源極間電流iD的大小，可將iD看作由電壓uGS控制的電流源。2468101214161234560uGS=6V435uDS

13、(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V123456UT輸出特性轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管有截止區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)三個工作區(qū)域。它的主要參數(shù)有g(shù)m、UT或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和極間電容。第四節(jié)輸出特性轉(zhuǎn)移特性2468101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2. N溝道耗盡型MOS管3. N溝道結(jié)型場效應(yīng)管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPIDSS2468101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(

14、V)iD(mA)-41234第四節(jié)本 章 小 結(jié)本章首先介紹了半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識，然后闡述了半導(dǎo)體二極管、雙極型晶體管（BJT）和場效應(yīng)管（FET）的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。一、PN結(jié)在本征半導(dǎo)體中摻入不同雜質(zhì)就形成N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體，控制摻入雜質(zhì)的多少就可有效地改變其導(dǎo)電性，從而實現(xiàn)導(dǎo)電性能的可控性。1. 雜質(zhì)半導(dǎo)體第四章將兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體制作在同一個硅片（或鍺片）上，在它們的交界面處，擴(kuò)散運動和漂移運動達(dá)到動態(tài)平衡，從而形成PN結(jié)。正確理解PN結(jié)單向?qū)щ娦?、反向擊穿特性、溫度特性和電容效?yīng)，有利于了解半導(dǎo)體二極管、晶體管和場效應(yīng)管等電子器件的特性和參數(shù)。2. PN結(jié)載流子有兩種有序的

15、運動：因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴(kuò)散運動，因電位差而產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。半導(dǎo)體有兩種載流子：自由電子和空穴。第四章二、半導(dǎo)體二極管一個PN結(jié)經(jīng)封裝并引出電極后就構(gòu)成二極管。二極管加正向電壓時，產(chǎn)生擴(kuò)散電流，電流和電壓成指數(shù)關(guān)系；加反向電壓時，產(chǎn)生漂移電流，其數(shù)值很小；體現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。特殊二極管與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦浴＠肞N結(jié)擊穿時的特性可制成穩(wěn)壓二極管。IF、IR、UR和fM是二極管的主要參數(shù)。第四章三、晶體管晶體管具有電流放大作用。當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置時，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少子中僅有很少部分與基區(qū)的多子復(fù)合，形成基極電流，而大部分在集電結(jié)外電場作用下形成漂移電流iC，體現(xiàn)出iB（或iE，uBE）對iC的控制作用。此時，可將iC看作為電流iB控制的電流源。晶體管的輸入特性和輸出特性表明各級之間電流與電壓的關(guān)系，、ICBO（ICEO）、ICM、U(BR)CEO、PCM和fM是它的主要參數(shù)。晶體管有截止、放大、飽和三個工作區(qū)域，學(xué)習(xí)時應(yīng)特別注意使管子在不同工作區(qū)的外部條件。第