《双极和MOS晶体管》PPT课件.ppt

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1、1微电子技术基础微电子技术基础双极型和双极型和MOSMOS晶体管晶体管信息工程学院信息工程学院 姜梅姜梅微电子技术基础微电子技术基础一、双极晶体管1.双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极微电子技术基础微电子技术基础NPN晶体管的电流输运NPNNPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换电子流电子流空穴流空穴流2.微电子技术基础微电子技术基础3.晶体管的直流特性共发射极的直流特性曲线三个区域：三个区域：饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区微电子技术基础微电子技术基础4.晶体管的特性参数4.1 晶

2、体管的电流增益（放大系数）共基极直流放大系数和交流放大系数0、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、微电子技术基础微电子技术基础4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一微电子技术基础微电子技术基础4.3 晶体管的击穿电压BVcboBVceoBVebo BVceo是晶体管的重要直流参数之一。它标志在共发射极运用时，收集级-发射级间能承受的最大反向电压。微电子技术基础微电子技术基础4.4 晶体管的频率特性（1）截止频率 f：共基极电

3、流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值（2）截止频率f ：（3）特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率（4）最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率微电子技术基础微电子技术基础5.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路微电子技术基础微电子技术基础输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载

4、流子密度高跨导微电子技术基础微电子技术基础存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷的存在开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计设计BJTBJT的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小的的I IB B缺点微电子技术基础微电子技术基础微电子技术基础微电子技术基础场效应晶体管的定义场效应晶体管的定义是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单、器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路工艺简单、器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。的主要有源器件。双极型晶体管是通过控制基极电流达到

5、控制集电极电流的双极型晶体管是通过控制基极电流达到控制集电极电流的目的。而场效应管的输出电流由输入端电压控制，两者的控制目的。而场效应管的输出电流由输入端电压控制，两者的控制原理截然不同。原理截然不同。微电子技术基础微电子技术基础场场效效应应管管结型场效应三极管结型场效应三极管JFET绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管IGFETJunction type Field Effect TransistorInsulated Gate Field Effect Transistor分类分类N沟道沟道P沟道沟道微电子技术基础微电子技术基础金金属属氧氧化化物物半半导导体体三三极极管管MOSFET

6、Metal Oxide Semiconductor FET增强型（增强型（EMOS）耗尽型（耗尽型（DMOS）N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道微电子技术基础微电子技术基础N+N+P+P+PUSGDq N 沟道沟道 EMOSFET 结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P 型硅型硅 衬底衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度S(Source)D(Drain)G(Gate)微电子技术基础微电子技术基础MOS管结构管结构以以N N沟道沟道增强增强型型MOSMOS管管为为例例G栅极（基极）栅极（基极）S源极（发射极）源极

7、（发射极）D漏极（集电极）漏极（集电极）B衬底衬底N沟道增强型沟道增强型MOSFET基本上是基本上是一种左右对称的拓一种左右对称的拓扑结构，它是在扑结构，它是在P型半导体上生成一型半导体上生成一层层SiO2 薄膜绝缘层，薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引型区引出电极出电极微电子技术基础微电子技术基础MOS管工作原理管工作原理以以N沟道增强沟道增强型型MOS管为管为例例正常正常放大放大时外时外加偏加偏置电置电压的压的要求要求问题：如果是问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？沟道，直流偏置应如何加？微电子技术基础微电子技术基础栅源电压

8、栅源电压V VGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用VGS VGS(th)V DS VGS(th)V DS VGS VGS(th)考考虑虑到到沟沟道道长长度度调调制制效效应应，输输出出特特性性曲曲线线随随 VDS 的的增加略有上翘。增加略有上翘。注意：饱和区注意：饱和区(又称有源区又称有源区)对应对应三极管的放大区。三极管的放大区。微电子技术基础微电子技术基础数学模型：数学模型：若考虑沟道长度调制效应，则若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：的修正方程：工工作作在在饱饱和和区区时时，MOS 管管的的正正向向受受控控作作用用，服服从从平方律关系式：平方律关系式：其中，其中，称称沟道

9、长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与 l 有关。有关。通常通常 =(0.005 0.03)V-1微电子技术基础微电子技术基础q 截止区截止区特点：特点：相当于相当于 MOS 管三个电极断开。管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS VGS(th)VGS=5 V3.5 V4 V4.5 V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGS|VP|时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。输入电阻输入电阻RGSMOS管由于栅极绝缘，所以其输入电管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可认为无穷大。阻非常大，理想时可认为无穷大。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS微电子技术基

10、础微电子技术基础场效应管参数场效应管参数低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，可以在转移特性曲线上求取。比值，可以在转移特性曲线上求取。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，决定，与双极型三极管的与双极型三极管的PCM相当。相当。低频跨导低频跨导gm以以MOS管为例管为例微电子技术基础微电子技术基础BJT与与FET的比较的比较双极型三极管场效应三极管结构结构NPN型，型，PNP型型C与与E不可倒置使用不可倒置使用结型耗尽型：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与与S可倒置使用可倒置使用载流载流子子多子、少子均参与多子、少子均参与导电导电多子参与导电多子参与导电输入输入量量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流电流控制电流电压控制电流电压控制电流