場效應(yīng)三極管簡介.ppt

1、1,只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。,場效應(yīng)管分類,結(jié)型場效應(yīng)管,絕緣柵場效應(yīng)管,特點,單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；,輸入電阻高；,工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。,2.7.1場效應(yīng)晶體管簡介,2,符號,1. 結(jié)型場效應(yīng)管,（1）結(jié)構(gòu),N型溝道,柵極,源極,漏極,在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。,導(dǎo)電溝道是 N 型的，稱 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管。,3,P 溝道場效應(yīng)管,P 溝道場效應(yīng)管是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的 N 型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為 P 型，多數(shù)載流子為空穴。,4,（2）

2、工作原理,N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變 UGS 大小來控制漏極電流 ID 的。,*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 ID 減小，反之，漏極 ID 電流將增加。,*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。,5,在漏極與源極間電壓一定時，漏極電流iD的大小取決于溝道的電阻，當(dāng)材料電阻率和溝道長度一定時，溝道的電阻，主要由導(dǎo)電溝道的有效截面積決定，因此，通過改變導(dǎo)電溝道的截面積，就可以控制漏極電流iD的大小。,1）溝道電流的可控性,iD,6,2）柵源電壓改變溝道大小,當(dāng)漏極與源極之間的電壓不變時，改變兩個PN結(jié)耗盡層的大小，就可以控制導(dǎo)電溝道的有效截面

3、積的大小，也就改變溝道的導(dǎo)電能力。在柵極和源極之間加上負(fù)電壓（即uGS 0），此時兩個PN結(jié)均為反向偏置，加大這個反偏電壓，耗盡層不斷變寬，溝道的導(dǎo)電截面積逐漸減小，溝道電阻就隨之增大，漏極電流iD將減小。當(dāng)減小柵源間的反向偏置電壓時，漏極電流將增大。這就是結(jié)型場效應(yīng)管的簡單工作原理。,7,(a)改變 UGS ，改變了 PN 結(jié)中電場，控制了 ID ，故稱場效應(yīng)管； (b)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。,3）結(jié)論,8,(3)特性曲線,轉(zhuǎn)移特性測試電路(N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例),兩個重要參數(shù),飽和漏極電流 IDSS(UGS =

4、 0 時的 ID),夾斷電壓 UP (ID = 0 時的 UGS),1）轉(zhuǎn)移特性,9,1）轉(zhuǎn)移特性,轉(zhuǎn)移特性曲線,2）輸出特性,當(dāng)柵源 之間的電壓 UGS 不變時，漏極電流 ID 與漏源之間電壓 UDS 的關(guān)系，即,結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈負(fù)，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,10,輸出特性有四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。,2） 輸出特性,uDS=0 時輸出特性曲線,11,場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。,UDS = 常數(shù),UDS = 15 V,結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取

5、電流，其輸入電阻很高，可達(dá) 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。,在輸出特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性,12,2.絕緣柵型場效應(yīng)管,由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱 MOS 場效應(yīng)管。,特點：輸入電阻可達(dá) 109 以上。,類型,N 溝道,P 溝道,增強(qiáng)型,耗盡型,增強(qiáng)型,耗盡型,UGS = 0 時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；,UGS = 0 時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。,13,(1) N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)管,1) 結(jié)構(gòu)與符號,以P型材料為襯底，在其上制作兩個N型區(qū)（用N+ 表示），引出兩個電極作為源極s和漏d

6、，再在表面上覆蓋一層二氧化硅 SiO2絕緣層，并在兩個N+ 區(qū)之間的絕緣層外蒸發(fā)一層金屬鋁作柵極g。襯底引出引線B，將它與源極連在一起。圖（b）是其電路符號，其箭頭的方向表示由P型襯底指向N型溝道。,圖 (a),圖 (b),14,2) 工作原理,絕緣柵場效應(yīng)管利用 UGS 來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 ID。UGS = 0，或者柵極懸空時，漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。,15,工作原理,P 型襯底中的電子被吸引靠近 SiO2 與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大 UGS 耗盡層變寬。,

7、(a) UDS = 0，0 UGS UT,16,(b) UDS = 0，UGS UT,由于吸引了足夠多的電子，會在耗盡層和 SiO2 之間形成可移動的表面電荷層 反型層、N 型導(dǎo)電溝道。 UGS 升高，N 溝道變寬。因為 UDS = 0 ，所以 ID = 0。 UT 為開始形成反型層所需的 UGS，稱開啟電壓。,17,(c) UDS UT,導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流 ID 。,(d) UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。,18,(e) UDS UGS UT， UGD UT,由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時，導(dǎo)電溝道兩端電壓基

8、本不變，ID 因而基本不變。,19,3) 特性曲線,(a)轉(zhuǎn)移特性,(b)輸出特性,UGS UT ，ID = 0；,UGS UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著 UGS 的增加，ID 逐漸增大。,(當(dāng) UGS UT 時),四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。,20,(2)N 溝道耗盡型 MOS 場效應(yīng)管,制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在 P 型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使 UGS = 0 也會形成 N 型導(dǎo)電溝道。,UGS = 0，UDS 0，產(chǎn)生較大的漏極電流；,UGS 0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID 減??；,UGS

9、 = - UP , 感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID 0。,UP 稱為夾斷電壓,21,N 溝道耗盡型 MOS 管特性,工作條件： uDS 0； uGS 正、負(fù)、零均可。,(a)轉(zhuǎn)移特性,(b)輸出特性,(c)符號,22,3. 場效應(yīng)管的主要參數(shù),(1) 夾斷電壓 UP,(2) 開啟電壓 UT,(4) 直流輸入電阻 RGS,輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在 107 以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于 109 。,(3)飽和漏極電流 IDSS,23,(5) 低頻跨導(dǎo) gm,(6) 極間電容,用以描述柵源之間的電壓 UGS 對漏極電流 ID 的控制作用。,單位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西門子(mS),這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。,24,(7) 漏極最大允許耗散功率 PDM,(8) 漏源擊穿電壓 U(BR)DS,(9)