半导体器件场效应管课件.ppt

1、4.4.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。1.晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，因此称其为因此称其为单极型器件单极型器件。3.晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管与晶体管的区别场效应管与

2、晶体管的区别场效应管分类：场效应管分类：GSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSN(00)P(00)N(00)P(00)N(0)P(0)uuuuuuuuuuuu沟道，结型沟道，沟道，场效应管增强型沟道，绝缘栅型沟道极性任意，耗尽型沟道极性任意，MOSFET(IGFET)JFETFETDSGN符符号号1.4.1 结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor结构结构图图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)导电沟道是导电沟道是

3、N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。分类：分类：N沟道和沟道和P沟道沟道在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。P 沟道场效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD符号符号GDS P P 沟道场效应管沟道场效应管是在是在 P P 型硅棒的两型硅棒的两侧做成高掺杂的侧做成高掺杂的 N N 型区型区(N(N+)，导电沟道导电沟道为为 P P 型型，多数载流，多数载流子为空穴。子为空穴。一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管

4、工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。1.当当UDS=0 时时，uGS 对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽UGS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相应变窄。应变窄。当当 UGS=UGS（Off)，耗尽层耗

5、尽层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道(b)UGS(off)UGS UGS（Off)，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off)，iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD uGS uDS GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 uGS 0,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改变改变 uG

6、S ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD，故称场效应管；故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)(动画）动画）3.当当uGD uGS(off)时（预夹断之后），时（预夹断之后），uGS 对漏极对漏极电流电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件

7、(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下,即当即当uDS uGS-uGS(off)(即即g gd d间未出现夹断间未出现夹断)时，时，对应于不同的对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻，间等效成不同阻值的电阻，iDuDS 。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断。之间预夹断。(3)当当uDS使使uGD uGS-UGS（OFF）产生预夹产生预夹断后（指断后（指|uGD|UGS（OFF）|）的）的区域。区域。图中预夹断线的右边区域图中预夹断线的右边区域为恒流区。该区域内各曲线近为恒流区。该区域内各曲线近似为一组横轴的平行线。似为

8、一组横轴的平行线。固定固定uGSGS，uDSDS由夹断点开始增加，夹断区增加，沟由夹断点开始增加，夹断区增加，沟道电阻增加。道电阻增加。RuiDSDiD D基本不变。基本不变。iD D与与uDSDS无关，具有无关，具有恒流特性恒流特性,这个区域也被这个区域也被称为称为恒流区恒流区。，iD D基本不变。基本不变。iD D与与uDSDS无关，无关，恒流区特点：恒流区特点：从从图图1.4.5输出特性上看：输出特性上看：恒流区恒流区相当于三极管的放大区，相当于三极管的放大区，JFETJFET放大器工作放大器工作在在恒流区恒流区。图图1.4.5 场效应管的输出场效应管的输出特性特性不论不论uDS多大，只

9、要多大，只要uGS变化，变化，iD就变，就变，uGS控制控制iD，iD与与UDS无关，因而可将无关，因而可将iD近似为电压近似为电压uGS控制的电流控制的电流源源。iD D与与uDSDS无关，受谁控制无关，受谁控制呢？呢？iD D受受uGSGS控制控制 。夹断区夹断区 当当uGS UGS（th）工作；工作；耗尽型：耗尽型：均能工作。均能工作。000GSu增强型增强型:耗尽型：耗尽型：绝缘栅型场效应管符号绝缘栅型场效应管符号一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图1.4

10、.7N 沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDBMOSFET结构（动画）一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1.工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用uGS 来来控制控制“感应电荷感应电荷”的多少，改变的多少，改变由这些由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流沟道的状况，以控制漏极电流 iD。2.工作原理分析工作原理分析(1)uGS=0 漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，结，无论漏源之间加何种极性电压，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导总是不导电电。SBDP

11、型衬底型衬底N+N+BGSD(2)uDS=0，0 uGS UT)导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 iD。b.uDS=uGS UT，uGD=UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c.uDS uGS UT，uGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，uDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。因而基本不变。a.uDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BG

12、SDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 1.4.9uDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)uGD UT(b)uGD=UT(c)uGD uGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD。此时，此时，可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。Mos增强型增强型场效应管工作原理（动画）场效应管工作原理（动画）3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性uGS UT

13、 时时)三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区(或饱和区或饱和区)、夹断夹断区。区。UT 2UTIDOuGS/ViD/mAO图图 1.4.10(a)图图 1.4.10(b)iD/mAuDS/VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。

14、即使 uGS=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+uGS=0，uDS 0，产生产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；uGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB(b)输出特性输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOS管的特性管的特性1)1)增强型增强型MOSMOS管管2)2)耗尽型耗尽型MOSMOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压DGS(th)GSDOGS(th)GS

15、DODiUuIUuIi时的时的式中式中在恒流区时在恒流区时212 为，)(（N沟道）沟道）三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th)0当当UGS 0,V0,VDDDD00,V0,VCCCC00,PNP0,PNP：U UBEBE00用用FETFET做的集成电路芯片集成度高做的集成电路芯片集成度高一个芯片可放一个芯片可放2525万个件万个件用用T T做的集成电路芯片集成度低做的集成电路芯片集成度低一个芯片可放一个芯片可放1 1万左右个件万左右个件电压控制电压控制u uGSGSiiD D;低频跨导低频跨导g gm m电流控制电流控制i iB B

16、iiC C;电流放大系数电流放大系数 1.4.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较(4)(4)三个区三个区:可变电阻区、恒流区、夹断区可变电阻区、恒流区、夹断区不同：不同：温度稳定性好温度稳定性好;单极型。单极型。N:N:电电子导电子导电 即多子导电即多子导电;P:;P:空穴导电空穴导电本章小结本章小结 学完本章后，应能掌握以下几点：学完本章后，应能掌握以下几点：熟悉下列定义、概念及原理：熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴自由电子与空穴，扩散与漂移扩散与漂移，复合复合，空间电荷区空间电荷区、PNPN结结、耗尽层耗尽层，导电沟道导电沟道，二极管的单向导电性二极管的单向导电性，稳压管的稳压作稳压管的稳压作用用，晶体管与场效应管的放大作用及三个晶体管与场效应管的放大作用及三个工作区域。工作区域。掌握掌握二极管二极管、稳压管稳压管、晶体管晶体管、场场效应管的外特性效应管的外特性、主要参数的物理意义。主要参数的物理意义。了解选用器件的原则。了解选用器件的原则。