模拟电子技术_第1章_常用半导体器件_场效应管_刘广孚

1、第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件11.5 场效应晶体管场效应晶体管思考的问题：思考的问题： 三极管（三极管（BJTBJT）工作时，总是从）工作时，总是从信号源吸取电流信号源吸取电流, ,它是一种电流控制它是一种电流控制型的器件，输入阻抗较低。型的器件，输入阻抗较低。 那么，场效应管（那么，场效应管（FETFET）是通过）是通过什么方式来控制的？有什么特点？什么方式来控制的？有什么特点？第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应2 场效应管晶体管（场效应管晶体管（Field Effect TransistorField Ef

2、fect Transistor，FETFET）是利用是利用电场效应电场效应来控制的有源器件，在来控制的有源器件，在集成电路（集成电路（ICIC）以以及微波电路中得到广泛应用。及微波电路中得到广泛应用。1.5 场效应场效应半导体管的特点半导体管的特点: : 体积小体积小 重量轻重量轻 耗电省耗电省 寿命长寿命长 FETFET的特点的特点: : 输入电阻高输入电阻高（MOSFETMOSFET最高可达最高可达10101515） 噪声系数低噪声系数低 热稳定性好热稳定性好 工作频率高工作频率高 抗辐射能力强抗辐射能力强 制造工艺简单制造工艺简单 第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章

3、常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应31.5 场效应场效应 场效应晶体管属于单极型晶体管。场效应晶体管属于单极型晶体管。 按照结构特点，场效应晶体管可分两大类：按照结构特点，场效应晶体管可分两大类：l 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 （Insulated Gate Field Effect TransisterInsulated Gate Field Effect Transister，IGFETIGFET）l 结型场效应管结型场效应管 （Junction Field Effect Transister,JFETJunction Field Effect Transister,J

4、FET）第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件41.5.1 1.5.1 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect (Insulated Gate Field Effect TransisterTransister，IGFET)IGFET)，多为，多为金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管，半导体场效应管， ( Metal( Metal OxideOxide Semiconductor Field Effect TransisterSemiconductor Field Effect Transis

5、ter，MOSFET MOSFET 或或 MOSMOS管管) )。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应51 N1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的结构的结构P型衬底BSiO2N+N+SDG 以以P型半导体为衬底，用型半导体为衬底，用B表示。表示。氧化生成一层氧化生成一层SiO2 薄膜绝缘层。薄膜绝缘层。用光刻工艺腐蚀出两个孔。用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区，形成两个型区，形成两个PN结结。从从N型区引出电极，一个是型区引出电极，一个是漏极漏极D(Drain，相当于，相当于C)，一

6、个是，一个是源极源极S(Source，相当于，相当于E)。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极栅极G(Grid，相当于，相当于B)。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应61 N1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的结构的结构栅极栅极G G相当于相当于B B漏极漏极D D相当于相当于C C源极源极S S相当于相当于E EDGSBDGSBP型衬底BSiO2N+N+SDG衬底在内部与源极相连衬底在内部与源极相连衬底未与源极相连，衬底未与源极相连，D D与与S S可互换

7、。可互换。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应72 N2 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 栅源电压栅源电压UGS对沟道会产生影响对沟道会产生影响 漏源电压漏源电压UDS对沟道产生影响对沟道产生影响 1栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 先令漏源电压先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压，加入栅源电压UGS以后并不断增加。以后并不断增加。 UGS带给栅极正电荷，将正对带给栅极正电荷，将正对SiO2层的层的表面下的衬底中的

8、空穴推走，形成一层负表面下的衬底中的空穴推走，形成一层负离子层，即离子层，即耗尽层耗尽层，用绿色的区域表示。，用绿色的区域表示。 同时在栅极下的表层感生电子，当电子数同时在栅极下的表层感生电子，当电子数量较多时，在漏源之间可形成导电沟道。量较多时，在漏源之间可形成导电沟道。 沟道中的电子和沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质型衬底的多子导电性质相反，称为相反，称为反型层反型层。此时若加上。此时若加上UDS ，就会，就会有漏极电流有漏极电流ID产生。产生。反型层反型层第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应82 N2 N沟道增强型沟

9、道增强型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 1栅源电压栅源电压UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 显然改变显然改变UGS就会改变沟道，从而影就会改变沟道，从而影响响ID ，这说明，这说明UGS对对ID的控制作用的控制作用。 当当UGS较小时，不能形成有效的沟较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有道，尽管加有UDS ，也不能形成，也不能形成ID 。当增加当增加UGS，使，使ID刚刚出现时，刚刚出现时，对应的对应的UGS称为称为开启电压开启电压，用用UGS(th)或或UT表示。表示。反型层反型层0DSU 栅源电压栅源电压UGS对沟

10、道会产生影响对沟道会产生影响 漏源电压漏源电压UDS对沟道产生影响对沟道产生影响第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应9 2漏源电压漏源电压UDS的控制作用的控制作用 设设UGSUGS(th)，增加，增加UDS，沟道将发生变化。，沟道将发生变化。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 显然漏源电压会对沟道产生显然漏源电压会对沟道产生影响，因为影响，因为源极和衬底相连接源极和衬底相连接，所以加入所以加入UDS后，后， UDS将沿漏到源将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底逐渐降落在沟道内，漏

11、极和衬底之间反偏最大，之间反偏最大，PN结的宽度最大。结的宽度最大。所以加入所以加入UDS后，在漏源之间会形后，在漏源之间会形成一个倾斜的成一个倾斜的PN结区，从而影响结区，从而影响沟道的导电性。沟道的导电性。 当当UDS进一步增加，进一步增加， ID不断增不断增加加,同时，漏端的耗尽层上移，在同时，漏端的耗尽层上移，在漏端出现夹断，称为漏端出现夹断，称为预夹断预夹断。预夹断预夹断 当当UDS进一步增加时，进一步增加时， 漏端的漏端的耗尽层向源极伸展，此时耗尽层向源极伸展，此时ID基本基本不再增加，增加的不再增加，增加的UDS基本上降落基本上降落在夹断区。此时在夹断区。此时ID只受只受UGS控

12、制，控制，进入进入线性放大区线性放大区。DI第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应10N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的特性曲线的特性曲线l 转移转移特性曲线特性曲线l 漏极输出漏极输出特性曲线特性曲线第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应111)1) N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的的转移特性曲线转移特性曲线OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N沟道增强型沟道增强型MOSFET的的转移特性曲线如

13、左图所示，它转移特性曲线如左图所示，它是说明是说明栅源电压栅源电压UGS对漏极电对漏极电流流ID的控制关系，可用这个关的控制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称系式来表达，这条特性曲线称为为转移特性曲线转移特性曲线。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应121)1) N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的的转移特性曲线转移特性曲线OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU 转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。 g

14、m称为称为跨导跨导，是场效应，是场效应三极管的重要参数。三极管的重要参数。constGSDmDSUUIg单位单位mS（mA/V）第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应132) 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 当当UGSUGS(th)时，时，ID=f(UDS) UGS=const称为称为漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线。 FET作为放大元件使用时，工作在恒流区，作为放大元件使用时，工作在恒流区，UDS对对ID的的影响很小。但是影响很小。但是UGS对对ID的控制作用的控制作用很明显。很明显。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA

15、/15105DSU/V恒流区.曲线分五个区域：曲线分五个区域：（1 1）可变电阻区）可变电阻区（2 2）恒流区（放大区）恒流区（放大区）（3 3）截止区）截止区（4 4）击穿区）击穿区（5 5）过损耗区）过损耗区可变电阻区可变电阻区截止区截止区击穿区击穿区过损耗区过损耗区第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应14OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.从从漏极输出特性漏极输出特性曲线可以得到曲线可以得到转移特性转移特性曲线。曲线。OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU第一章

16、第一章 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应154 N4 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)在栅极下方的在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。当绝缘层中掺入了一定量的正离子。当UGS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。转移特性曲线转移特性曲线第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器

17、件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应164 N4 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)夹断电压夹断电压IDSS当当UGS=0时，对应的漏极电流用时，对应的漏极电流用IDSS表示。表示。当当UGS0时，时，ID进一步增加。进一步增加。UGS0时，随着时，随着UGS的减小的减小ID逐渐减小，直至逐渐减小，直至ID=0。对应对应ID=0的的UGS称为称为夹断电压夹断电压，用符号，用符号UGS(off)或或UP表示。表示。转移特性曲线转移特性曲线第一章第一章

18、 常用半导体器件常用半导体器件第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件1.5 场效应场效应17场效应管符号的说明：场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增强型沟道增强型MOS管，衬底管，衬底箭头向里。箭头向里。漏、衬底和源、漏、衬底和源、分开，表示零栅分开，表示零栅压时沟道不通。压时沟道不通。表示衬底在表示衬底在内部没有与内部没有与源极连接。源极连接。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管。管。漏、衬底和源不漏、衬底和源不断开表示零栅压断开表示零栅压时沟道已经连通。时沟道已经连通。 N沟道结型沟道结型场效应管。场效应管。没有绝缘层。没有绝缘层。如果是如果是P P沟道，箭头则向外。沟道，箭头则向外。第一章第一章 常用半导体器件常用半导体器件18双极型晶体管双极型晶体管场效应晶体管场效应晶体