14绝缘栅型场效应管6解析课件.ppt

1、外电场方向与外电场方向与PN结内结内电场方向相反电场方向相反,削弱了削弱了内电场，内电场，PN结呈现低阻性，结呈现低阻性，区的电位高于区的电位高于 区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；P区的电位低于区的电位低于N区的电位区的电位,称为加称为加反向电压反向电压,简称简称反偏反偏.内内外外 场效应管仅仅是由一种载流子参与导电的半导体器由一种载流子参与导电的半导体器件，是件，是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。从参与导电的载流子来划从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的分，它有电子作为载流子的N N沟道器件和空穴作为载沟道器件和空穴

2、作为载流子流子的的P P沟道器件。沟道器件。1.4 1.4 场效应三极管场效应三极管它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)JFET)

3、绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transister)IGFET).IGFET也称也称金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体三极管三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）DSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管一、结构一、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)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电子可导体中多数载流子电

4、子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。它是在它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，结，形成两个形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道的结构。型沟道的结构。P 沟道场效应管沟道场效应管图图 1.4.2P 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 P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成型硅棒的两侧做成N 型型区区(N+)，导电沟道为导电沟道为 P 型型，多数载流子为空穴。多数载流子为空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理 N 沟道结型场效应管

5、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。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*在栅极和源极之间加在栅极和源极之间加反向电压反向电压，耗尽层会，耗尽层会变宽变宽，导电沟道宽度减小，使沟道导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电本身的电阻值增大，漏极电流流 ID 减小，反之，漏极减小，反之，漏极 ID 电流将增加。电流将增加。*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.设设UDS=0，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGS，改变，改变 VGS大大小。观察耗尽层的变化。小。观察耗尽层的

6、变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS=UP，耗尽层耗尽层合拢，导电沟被夹断，合拢，导电沟被夹断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b)UGS 0，在，在栅源间加负栅源间加负电源电源 VGS，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID。UGS=0，UDG ，ID 较大。较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDSVGG UGS

7、0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS|UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变改变 UGS ，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，结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使使 PN 反偏，栅极反偏，栅极基本不取电流，基本不取电流，因此，因此，场效应管输入电阻很高。场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线三、特性曲线1.转移特性转移特性(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)常数常数

8、 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性UGS=0，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS=UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的时的 ID)夹断电压夹断电压 UP(ID=0 时的时的 UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+mA1.转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 1.4.6转移特性转移特性2.漏极特性漏极特性当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 ID

9、 与漏源与漏源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0()1(GSP2PGSDSSD时时当当UUUUII IDSS/VPGSDSUUU ID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7 V8P U预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。可变电阻区、恒流区和击穿区。2.漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图图 1.4.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+

10、mA图图 1.4.6(b)漏极特性漏极特性 UGS 越大，预夹断时的越大，预夹断时的 UDS也就越大，形成预夹断轨迹。也就越大，形成预夹断轨迹。场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS/VUDS=15 V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻

11、很高，可达可达 107 以上。以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应

12、管场效应管1.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 1.4.8N 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UGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。

13、工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0 漏源之间相当于两漏源之间相当于两个背靠背的个背靠背的 PN 结，无结，无论漏源之间加何种极性论漏源之间加何种极性电压，电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 1.4.92 2、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场场效应管工作原理效应管工作原理P 型衬型衬底底N+N+GSDSiO2 当当VGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬型衬底表面形成一层底表面形成一层耗尽层耗尽层，但负离，但负离子不能导电。子不能导电。当当VGS=VT时时,在在P型衬底表面型衬底表面形成一层形成一层电子层电子层，形成，形成N型导电型导电沟道，沟道，在在VDS的作用下形成的作用下

14、形成iD。VT叫做开启电压。叫做开启电压。增强型增强型MOSMOS管管VDSiD+-+-+-VGS反型层反型层 当当VGSVT时时,沟道加厚，沟沟道加厚，沟道电阻减少，道电阻减少，在相同在相同VDS的作用的作用下，下，iD将进一步增加。将进一步增加。开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，当在VGS VT时才形成沟时才形成沟道道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管 MOSFETMOSFET是是利用栅源电压利用栅源电压的大小，来改变半导体表的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。一方面一方面:U:UD

15、S不变时，不变时，(2)UGS 0 当当V VGSGSV VT T，且固定为某一值时，来分析漏源电压且固定为某一值时，来分析漏源电压V VDSDS的的不同变化对导电沟道和漏极电流不同变化对导电沟道和漏极电流I ID D的影响。的影响。当当V VDSDS为为不等于不等于0 0且很小时且很小时，相当相当 V VGDGDV VT T,此时此时V VDSDS 基基本均匀降落在沟道中，沟道本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在呈斜线分布。在V VDSDS作用下形作用下形成成I ID D但是此时导电沟道呈现一个但是此时导电沟道呈现一个楔形。楔形。增强型增强型MOSMOS管管另一方面另一方面，漏源电压漏源电

16、压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用当当VDS增加增加I ID D也增加，也增加，同时导电同时导电沟道宽度的不均匀性也加剧，沟道宽度的不均匀性也加剧，当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，时，当当VDS增加到增加到VGD VT时，时，这相当于这相当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩减增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此。此时的时的漏极电流漏极电流I ID D 基本饱和。基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极。极。V VDSDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断

17、沟道上，的夹断沟道上，导电沟道两端的电导电沟道两端的电压几乎不变，所以压几乎不变，所以I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(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

18、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+BGSDVGGVDD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 1.4.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGD UT(b)UGD=UT(c)UGD UT3.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时)三个区：可变电阻区

19、、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区(或饱和区或饱和区)、击穿击穿区。区。UT 2UTIDOUGS/VID/mAO图图 1.4.12(a)图图 1.4.12(b)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。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的情

20、况下工作，此时导电沟道比的情况下工作，此时导电沟道比UGS=0时时更宽，更宽，ID更大更大P型衬底型衬底N+N+BGSD+N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 管特性管特性工作条件：工作条件：UDS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSSN沟道增强型沟道增强型N沟道耗尽型沟道耗尽型SGDBSGDB(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 1.4.14特性曲线特性曲线1.4.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 I

21、DSS2.夹断电压夹断电压 UP3.开启电压开启电压 UT4.直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控的

22、控制作用。制作用。常数常数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为漏极耗散功率转化为热能

23、使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当当漏极电流漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS=0V+_ _IDUDSo o+作业：1-151-16