第1章半导体器件基础第4讲.pptx

1.5.1 结型场效应管结型场效应管1.结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFETSGD符号符号SGD符号符号栅极栅极源极源极漏极漏极第1页/共33页q N沟道沟道JFET管外部工作条件管外部工作条件 UDS 0UGS 02.JFET管工作原理管工作原理P+P+NGSD-+UGSUDS+-(保证栅源保证栅源PN结反偏结反偏)(以形成漏极电流以形成漏极电流)第2页/共33页q UGS对沟道宽度的影响对沟道宽度的影响|UGS|耗尽层宽度耗尽层宽度 若若|UGS|继续继续 沟道全夹断沟道全夹断若若UDS=0NGSD-+UGSP+P+N型沟道宽度型沟道宽度 沟道电阻沟道电阻 此时此时UGS 的值称为夹断电压的值称为夹断电压UGS(off)第3页/共33页由图由图 UGD=UGS-UDS UDS ID线性线性 若若UDS 则则UGD 近漏端沟道近漏端沟道 沟道电阻增大。沟道电阻增大。此时此时 沟道电阻沟道电阻 ID 变慢变慢q UDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设UGS 一定一定）NGSD-+UGSP+P+UDS+-UDS=0ID=0第4页/共33页 当当UDS增加到增加到使使UGD =UGS(off)时时 A点出现预夹断点出现预夹断 若若UDS 继续继续 A点下移点下移出现夹断区出现夹断区因此预夹断后：因此预夹断后：UDS ID 基本维持不变。基本维持不变。NGSD-+UGSP+P+UDS+-ANGSD-+UGSP+P+UDS+-A第5页/共33页 uGS和和uDS同时作用时同时作用时当当 UGS(off)uGS0 时，形成导电沟道，对于同样的时，形成导电沟道，对于同样的uDS，iD的值比的值比uGS=0时的值要小。在预夹断处时的值要小。在预夹断处,uGD=uGS-uDS=UGS(off)。当当uGD=uGS-uDS uGS-uGS(off)0，导电沟，导电沟道夹断，道夹断，iD 不随不随uDS 变化变化；但但uGS 越小，即越小，即|uGS|越大，沟道电越大，沟道电阻越大，对同样的阻越大，对同样的uDS，iD 的值的值越小。所以，此时可以通过改变越小。所以，此时可以通过改变uGS 控制控制iD 的大小，的大小，iD与与uDS 几几乎无关，可以近似看成受乎无关，可以近似看成受uGS 控控制的电流源。由于漏极电流受栅制的电流源。由于漏极电流受栅-源电压的控制，所以源电压的控制，所以场效应管为场效应管为电压控制型元件。电压控制型元件。NGSD-+UGSP+P+UDS+-A第6页/共33页综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受uGS控制控制预夹断前预夹断前iD与与uDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第7页/共33页3.JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 UGS(off)iDiD第8页/共33页 夹断电压夹断电压UGS(off)：饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：低频跨导低频跨导gm：或或3.主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的UGS值值。UGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。低频跨导反映了低频跨导反映了uGS对对iD的控的控制作用。制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位可以在转移特性曲线上求得，单位是是mS(毫西门子毫西门子)。输出电阻输出电阻rd：第9页/共33页 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。第10页/共33页一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1.5.2 MOS 场效应管场效应管1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘绝缘层层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金属在绝缘层上喷金属铝引出栅极铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB第11页/共33页 2.N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作原理管的工作原理1)uDS=0时，时，uGS 对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当uDS=0且且uGS0时，时，因因SiO2的存在，的存在，iG=0。但。但g极为金属铝，因极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正电荷，从外加正向偏置电压而聚集正电荷，从而排斥而排斥P型衬底靠近型衬底靠近g极一侧的空穴，极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层耗尽层(0 UGS UGS(th)DS 间间的的电电位位差差使使沟沟道道呈呈楔楔形形，uDS，靠靠近近漏漏极极端端的的沟沟道道厚厚度度变变薄薄-梯形。梯形。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。（进入饱和区）（进入饱和区）第15页/共33页3.输出特性曲线输出特性曲线可变电阻区可变电阻区uDS UGS(th)时：时：uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O第17页/共33页二、耗尽型二、耗尽型 N 沟道沟道 MOSFETSGDB 与与 N沟道增强型沟道增强型MOS管不同的是，管不同的是，N沟道耗沟道耗尽型尽型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使在以，即使在uGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然可时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏以形成反型层，只要在漏-源之间加正向电压，就源之间加正向电压，就会产生会产生iD。第18页/共33页 若若uDS为定值，而为定值，而uGS 0，uGS iD ；若；若uGS uGS(off)，且为定值，则，且为定值，则iD 随随uDS 的变化的变化与与N沟道增强型沟道增强型MOS管的相同。但因管的相同。但因uGS(off)107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/viD/mAO第25页/共33页4.低频跨导低频跨导 gm 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几毫西。一般为几毫西(mS)uGS/viD/mAQO第26页/共33页PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM第27页/共33页1.5.5 场效应管与晶体三极管的比较场效应管与晶体三极管的比较一、场效应管是电压控制器件，而晶体管是电流一、场效应管是电压控制器件，而晶体管是电流控制器件控制器件二、场效应管利用一种多子导电，故又称为单极二、场效应管利用一种多子导电，故又称为单极型三极管型三极管,其温度稳定性好。其温度稳定性好。三、三、MOS场效应管制造工艺简单，便于集成，适场效应管制造工艺简单，便于集成，适合制造大规模集成电路。合制造大规模集成电路。第28页/共33页1.5.5 场效应管与晶体三极管的比较 比较项目比较项目 三极管三极管场效应管场效应管结构结构 NPN型型PNP型型C极与极与E极一般不可交换使极一般不可交换使用用 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P 沟道沟道 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P 沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P 沟道沟道D极与极与S极一般可交换使用极一般可交换使用温度特性温度特性多子扩散、少子漂移多子扩散、少子漂移 多子漂移多子漂移 输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入噪声噪声较大较大较小较小控制控制电流控制电流源电流控制电流源 CCCS()电压控制电流源电压控制电流源 vCCS(gm)温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 受温度影响较小并有零温度系数点受温度影响较小并有零温度系数点 输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上 集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成 第29页/共33页例例 题题 例例1.5.1 已知各场效应管的输出特性曲线如图已知各场效应管的输出特性曲线如图 所示。试分析各管子的类型。所示。试分析各管子的类型。图第30页/共33页 解解:(a)iD0（或（或uDS0），则该管为），则该管为N沟道；沟道；uGS0，故为，故为JFET（增强型）。（增强型）。(b)iD0（或（或uDS0），则该管为），则该管为P沟道；沟道；uGS0（或（或uDS0），则该管为），则该管为N沟道；沟道；uGS可正、可负，故为耗尽型可正、可负，故为耗尽型MOS管。管。提示：提示：场效应管工作于恒流区场效应管工作于恒流区：（：（1）N沟道增沟道增强型强型MOS管：管：uDS0,uGSuGS(th)0；P沟道反之。沟道反之。（2）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管：管：uDS0,uGS可正、可正、可负，也可为可负，也可为0；P沟道反之。沟道反之。（3）N沟道沟道JFET：uDS0,uGS0；P沟道反之。沟道反之。第31页/共33页判断场效应管类型方法：判断场效应管类型方法：1）根据）根据uDS值的极性判别导电沟道类型值的极性判别导电沟道类型 -正为正为N沟道沟道、负为、负为P沟道；沟道；2）若）若uGS等于零时，等于零时，iD为最大电流则为结型场效应管，否则为绝缘栅场效应管；为最大电流则为结型场效应管，否则为绝缘栅场效应管；3）对于绝缘栅场效应管：若当）对于绝缘栅场效应管：若当uGS等于零时等于零时iD为零，则为增强型绝缘栅型场效应为零，则为增强型绝缘栅型场效应管；否则为耗尽型绝缘栅型场效应管。管；否则为耗尽型绝缘栅型场效应管。第32页/共33页感谢您的观看！第33页/共33页