电路基础与集成电子技术-45场效应半导体晶体管

第4章半导体二极管和晶体管2010.02,4.5场效应半导体晶体管,4.5.2绝缘栅场效应晶体管,4.5.1结型场效应晶体管,4.5.3场效应晶体管的参数和型号,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,双极型晶体管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。,晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或半导体晶体管。晶体管有两大类型:一是双极型晶体管(BJT)，二是场效应晶体管(FET)。,场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,4.5.1.1结型场效应晶体管的结构,JFET的结构如图4.5.1所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道区,图4.5.1结型场效应管的结构,PN结,域的结构。两个P区连在一起即为栅极G，N型硅的一端是漏极D，另一端是源极S。,根据结型场效应管的结构，只能工作在反偏条件下，才没有栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,N沟道,右上角出现的是符号。,4.5.1结型场效应晶体管,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,1.栅源电压对沟道的控制作用,4.5.1.2结型场效应管的工作原理,场效应管是一种电压控制电流源器件，它的漏极电流受栅源电压UGS和漏源电压UDS的双重控制。,图01.04.02栅源电压的控制作用,在漏、源之间加有一固定电压时，在漏、源间的N型沟道中将产生漏极电流。,当UGS继续减小时，N沟道将变窄，ID将减小，直至为零。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,当UGS=0，加有一定UDS时，形成的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。当UGS0时，PN结反偏，ID将减小。,当uGS0V时，PN结反偏，耗尽层从上下两个方向向中间靠拢，沟道将变窄，沟道电阻加大。随着uGS越来越负，沟道越来越窄，直至上下合拢，发生夹断。,UGS继续减小，沟道继续变窄，ID直至减小为0。当ID=0时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS(off)。,IDSS,UGS(off),第4章半导体二极管和晶体管2010.02,预加断,预加断,图4.5.3漏源电压对沟道的控制作用,2.漏源电压对沟道的控制作用,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断。当UDS继续增加，漏极处的预夹断区继续向源极方向生长延长，直至漏极电流等于0。,在栅极加上电压，且UGSUGS(off)，若漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随之减小(反向电压增加)。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道从上至下呈楔形分布，如图4.5.3所示。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负，以使栅源间反偏，没有栅流。JFET的特性曲线如图4.5.4(a)和图4.5.4(b)所示。,4.5.1.3结型场效应管的特性曲线,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,图4.5.4(a)N沟道结型场效应管的漏极输出特性曲线,1.漏极输出特性曲线,结型场效应管的漏极特性曲线是在栅源电压等于常数时，漏极电流与漏源电压之间的关系曲线。即,它分为三个区域：,1.可变电阻区：在预夹断轨迹线的左侧，该区域随着uDS增加，iD基本线性增加；,2.恒流区：在预夹断轨迹线的右侧，当uGD=UGS-UDS小于夹断电压时，是一组平行线；,3.夹断区：导电沟道被夹断，iD0。,预夹断轨迹线,可变电阻区,恒流区,夹断区,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,图4.5.4(b)N沟道结型场效应管的转移特性曲线,2.转移特性曲线,结型场效应管的转移特性曲线是,因为场效应管无栅流，所以用转移特性曲线可以方便地将uGS与iD和UDS组合在一条特性曲线中。耗尽型管的漏极电流iD可用下式表示,IDSS,UGS(off),第4章半导体二极管和晶体管2010.02,场效应晶体管有两种结构形式：1.绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)-增强型耗尽型2.结型场效应晶体管(JFET)-只有耗尽型,场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分。下面以N沟道增强型场效应晶体管为例来加以说明。,4.5.2绝缘栅场效应晶体管,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,场效应管分类：,1.结型场效应晶体管,N沟道耗尽型,2.绝缘栅场效应晶体管,P沟道耗尽型,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。,然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。,扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）,从N型区引出金属电极，一个是漏极D，一个是源极S。,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。,1.N沟道增强型MOS管的结构,图4.5.5(a)N沟道增强型MOS管的结构,4.5.2.1增强型绝缘栅场效应管,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,N沟道增强型MOS管的符号如上图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。,图4.5.5(b)N沟道增强型MOS管的符号,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,2.N沟道增强型MOS管的工作原理,分两个方面进行讨论：一是栅源电压UGS对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响；二是漏源电压UDS对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响。,栅源电压和漏源电压都对漏极电流有控制作用，其作用机理都是通过相关电压形成的电场对导电沟道进行控制，从而实现对漏极电流的控制。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS后并不断增加。,UGS带给栅极正电荷，将正对SiO2层表面下衬底中的空穴推走，从而形成耗尽层，用绿色的区域表示。,在栅极下的表层感生一定的电子电荷，从而在漏源之间可形成导电沟道。,导电沟道,图栅源电压的控制作用,UGS的变化会影响沟道，此时若加上UDS，就会有漏极电流ID产生，并受UGS的控制。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,UDS对沟道的影响。,在此导电回路中，沟道的电阻最大，UDS主要降落在沟道中，就会对沟道的形状产生影响。所以漏源电压UDS会对漏极电流ID产生控制作用。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,UGS(th),N沟道增强型场效应晶体管的uGS和iD的关系曲线还可以用下列数学表达式描述,式中IDO是uGS=2UGS(th)时所对应的iD。,对于N沟道增强型场效应晶体管当uGS=0时，不能形成沟道，iD=0。必须uGSUGS(th)才会明显形成沟道，出现iD，UGS(th)称为开启电压。,可以用uGS对iD的转移特性曲线来描述删源电压对漏极电流的控制作用，见左下图。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,4.5.2.2N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感生出导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,图4.5.7N沟道耗尽型管的结构和符号,(a)(b)(c),第4章半导体二极管和晶体管2010.02,耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示,夹断电压,漏极饱和电流,当UGS=0时，对应的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，或用UP表示。,图4.5.7(c)耗尽型管的特性转移特性,场效应晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三类：,开启电压UGS(th)(或UT)-开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不导通。,夹断电压UGS(off)(或UP)-夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGS=UGS(off)时，漏极电流为零。,1.直流参数,4.5.3场效应晶体管的参数和型号,4.5.3.1场效应晶体管的参数,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,UGS(th),第4章半导体二极管和晶体管2010.02,输入电阻RGS-场效应管的栅源之间的输入电阻，其典型值，对于结型场效应管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应管,RGS约是1091015。,饱和漏极电流IDSS-耗尽型场效应管,当UGS=0时所对应的漏极电流。,漏极饱和电流,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,低频跨导gm-低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,极间电容-场效应晶体管的三个电极之间存在电容。一般Cgs和Cgd约为13pF，Cds约为0.11pF。,2.交流参数,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,3.极限流参数,最大漏极电流IDM-场效应管正常工作时的漏极电流的上限值。,击穿电压U(BR)GS-结型场效应管栅源之间所加的反向电压使PN结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值。,最大漏极功耗PDM-最大漏极功耗可由PDM=UDSID决定，与双极型晶体管的PCM相当。,击穿电压U(BR)DS-场效应管进入恒流区，uds的增加使iD骤然增加的漏源电压值。,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,场效应晶体管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型晶体管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料。例如，3DJ6D是结型N沟道场效应晶体管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应晶体管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,4.5.3.2场效应晶体管的型号,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,几种常用的场效应晶体管的主要参数。,表场效应晶体管的参数,第4章半导体二极管和晶体管2010.02,N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源断开，表示零栅压时沟道不通。,表示衬底在内部没有与源极连接。,N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。,N沟道结型MOS管没有绝缘层。只有耗尽型，