《双极和MOS晶体管》PPT课件

1,微电子技术基础,双极型和MOS晶体管,信息工程学院姜梅,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,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,2.,3.晶体管的直流特性,共发射极的直流特性曲线,三个区域：饱和区放大区截止区,4.晶体管的特性参数,4.1晶体管的电流增益（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、,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一,4.3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。,4.4晶体管的频率特性,（1）截止频率f：共基极电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,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,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流子密度,高跨导,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BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,缺点,2.3MOS场效应晶体管,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、,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。,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,原理截然不同。,场效应管,结型场效应三极管JFET,绝缘栅型场效应三极管IGFET,JunctiontypeFieldEffectTransistor,InsulatedGateFieldEffectTransistor,分类,N沟道,P沟道,金属氧化物半导体三极管,MOSFETMetalOxideSemiconductorFET,增强型（EMOS）,耗尽型（DMOS）,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道EMOSFET结构示意图,S(Source),D(Drain),G(Gate),MOS管结构,以N沟道增强型MOS管为例,G栅极（基极）S源极（发射极）D漏极（集电极）B衬底,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极,MOS管工作原理,以N沟道增强型MOS管为例,正常放大时外加偏置电压的要求,问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？,栅源电压VGS对iD的控制作用,VGSVTN时（VTN称为开启电压),VGSVTN时(形成反型层),在漏源电压作用下开始导电时（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。,漏源电压VDS对iD的控制作用,VGSVT后,外加的VDS较小时，ID将随着VDS的增加而增大。,当VDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从漏极到源极逐渐减小，从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。,当VDS大于一定值后，SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的开启电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断，ID将不再随VDS的增大而增大，趋于一饱和值。,转移特性曲线,iD=f(vGS)VDS=const,调制系数,输出特性曲线,iD=f(vDS)VGS=const,VGS(th)=3V,VDS=5V,转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用，可由输出特性转换得到。,VDS=5V,转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS值，即开启电压VGS(th)。,NEMOS管输出特性曲线,非饱和区,特点：,ID同时受VGS与VDS的控制。,当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；,当VDS为常数时，VGSID，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,数学模型：,此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器：,VDS很小MOS管工作在非饱和区时，ID与VDS之间呈线性关系：,其中，W、l为沟道的宽度和长度。,COX(=/OX,SiO2层介电常数与厚度有关)为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,饱和区,特点：,ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。,注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：,工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中，称沟道长度调制系数，其值与l有关。,通常=(0.0050.03)V-1,截止区,特点：,相当于MOS管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGS|VP|时所对应的漏极电流。,输入电阻RGS,MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大