雙極和MOS晶體管(00001)課件

1微電子技術(shù)基礎(chǔ)MOS晶體管一、雙極晶體管1.雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極NPN晶體管的電流輸運(yùn)NPN晶體管的電流轉(zhuǎn)換電子流空穴流2.4.晶體管的特性參數(shù)4.1晶體管的電流增益（放大系數(shù)）共基極直流放大系數(shù)和交流放大系數(shù)0

、兩者的關(guān)系共發(fā)射極直流放大系數(shù)交流放大系數(shù)0、4.2晶體管的反向漏電流和擊穿電壓反向漏電流Icbo：發(fā)射極開路時，收集結(jié)的反向漏電流Iebo：收集極開路時，發(fā)射結(jié)的反向漏電流Iceo：基極開路時，收集極－發(fā)射極的反向漏電流

晶體管的主要參數(shù)之一4.3晶體管的擊穿電壓BVcboBVceoBVeboBVceo是晶體管的重要直流參數(shù)之一。它標(biāo)志在共發(fā)射極運(yùn)用時，收集級-發(fā)射級間能承受的最大反向電壓。5.BJT的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個發(fā)射上有電流流過可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號應(yīng)用模擬電路輸入電容由擴(kuò)散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時在大或小的電流下工作而無需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲電荷的存在開關(guān)速度慢開態(tài)電壓無法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB缺點(diǎn)§2.3MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管的定義是一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件。它體積小、工藝簡單、器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。雙極型晶體管是通過控制基極電流達(dá)到控制集電極電流的目的。而場效應(yīng)管的輸出電流由輸入端電壓控制，兩者的控制原理截然不同。場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFETJunctiontypeFieldEffectTransistorInsulatedGateFieldEffectTransistor分類N溝道P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET－

MetalOxideSemiconductorFET增強(qiáng)型（EMOS）耗盡型（DMOS）N溝道P溝道N溝道P溝道MOS管結(jié)構(gòu)以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例G－柵極（基極）S－源極（發(fā)射極）D－漏極（集電極）B－襯底N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極MOS管工作原理以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例正常放大時外加偏置電壓的要求問題：如果是P溝道，直流偏置應(yīng)如何加？柵源電壓VGS對iD的控制作用VGS<VTN時（VTN

稱為開啟電壓)VGS＞VTN時(形成反型層)當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。0＜VGS＜VTN時，SiO2中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，P型表面上感應(yīng)出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限,不能形成溝道。當(dāng)VGS＞VTN時，由于此時柵壓較強(qiáng)，P型半導(dǎo)體表層中將聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時（即產(chǎn)生iD）的柵源電壓為開啟電壓VT

在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴極性相反，故稱為反型層。轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(vGS)VDS=const輸入電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對于共源電路，即：調(diào)制系數(shù)輸出特性曲線輸出電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對于共源電路，即：iD=f(vDS)VGS=constVGS(th)=3VVDS

=5V轉(zhuǎn)移特性曲線反映VDS

為常數(shù)時，VGS

對ID

的控制作用，可由輸出特性轉(zhuǎn)換得到。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345轉(zhuǎn)移特性曲線中，ID=0時對應(yīng)的VGS

值，即開啟電壓VGS(th)。數(shù)學(xué)模型：此時MOS管可看成阻值受VGS

控制的線性電阻器：

VDS很小MOS管工作在非飽和區(qū)時，ID與VDS之間呈線性關(guān)系：其中，W、l為溝道的寬度和長度。

COX

(=/OX,SiO2

層介電常數(shù)與厚度有關(guān))為單位面積的柵極電容量。注意：非飽和區(qū)相當(dāng)于三極管的飽和區(qū)。

飽和區(qū)特點(diǎn)：

ID

只受VGS

控制，而與VDS

近似無關(guān)，表現(xiàn)出類似三極管的正向受控作用。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V溝道預(yù)夾斷后對應(yīng)的工作區(qū)。條件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考慮到溝道長度調(diào)制效應(yīng)，輸出特性曲線隨VDS

的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)(又稱有源區(qū))對應(yīng)三極管的放大區(qū)。由于MOS管COX

很小，因此當(dāng)帶電物體(或人)靠近金屬柵極時，感生電荷在SiO2

絕緣層中將產(chǎn)生很大的電壓VGS(=Q/COX)，使絕緣層擊穿，造成MOS管永久性損壞。MOS管保護(hù)措施：分立的MOS管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：TD2D1D1、D2

一方面限制VGS

間最大電壓，同時對感生電荷起旁路作用。N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在P型表面感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。轉(zhuǎn)移特性曲線耗盡型與增強(qiáng)型MOS管的差異耗盡型：當(dāng)VGS＝0

時，存在導(dǎo)電溝道，ID≠0

增強(qiáng)型：當(dāng)VGS＝0

時，沒有導(dǎo)電溝道，ID＝0

電路符號PMOS場效應(yīng)管PMOS管結(jié)構(gòu)和工作原理與NMOS管類似，但正常放大時所外加的直流偏置極性與NMOS管相反。PMOS管的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，制作方便；缺點(diǎn)是外加直流偏置為負(fù)電源，難與別的管子制作的電路接口。PMOS管速度較低，現(xiàn)已很少單獨(dú)使用，主要用于和NMOS管構(gòu)成CMOS電路。場效應(yīng)管參數(shù)開啟電壓VGS(th)(或VT)開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)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,漏極電流為零。場效應(yīng)管參數(shù)

當(dāng)VGS=0時，VDS>|VP|時所對應(yīng)的漏極電流。輸入電阻RGSMOS管由于柵極絕緣，所以其輸入電阻非常大，理想時可認(rèn)為無窮大。飽和漏極電流IDSS場效應(yīng)管參數(shù)低頻跨導(dǎo)指漏極電流變化量與柵壓變化量的比值，可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取。最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=VDSID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。低頻跨導(dǎo)gm以