第1章半导体器件基础第4讲学习教案

1、会计学1第第1章半导体器件基础章半导体器件基础(jch)第第4讲讲第一页，共34页。1.5.1 结型场效应管结型场效应管1. 结构结构(jigu)与符号与符号N 沟道沟道(u do) JFETP 沟道沟道(u do) 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页第二页，共34页。q N沟道沟道JFET管外部管外部(wib)工作条件工作条件 UDS 0UGS 02. JFET管工作管工作(gngzu)原理原理P+P+NGSD- + + UGSUDS+ + - -(保证保证(bozhng)栅源栅源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页第三

2、页，共34页。q UGS对沟道对沟道(u do)宽度的影响宽度的影响|UGS | 耗尽层宽度耗尽层宽度 若若|UGS | 继续继续 沟道全夹沟道全夹断断若若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(c sh)UGS 的值称为夹断电压的值称为夹断电压UGS (off)第3页/共33页第四页，共34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(u do) 沟道沟道(u do)电阻增大。电阻增大。此时此时 沟道沟道(u do)电阻电阻 ID 变慢变慢q UDS对沟道的控制对沟道的

3、控制(kngzh)（假设（假设UGS 一定）一定）NGSD- + + UGSP+P+UDS+- -UDS=0ID=0第4页/共33页第五页，共34页。 当当UDS增加到使增加到使UGD =UGS(off)时时 A点出现点出现(chxin)预夹断预夹断 若若UDS 继续继续(jx)A点下移点下移出现出现夹断区夹断区因此因此(ync)(ync)预预夹断后：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页第六页，共34页。 uGS和和uDS同时同时(tngsh)作作用时用时当当 U

4、GS(off) uGS0 时，形成导电沟道时，形成导电沟道(u do)，对，对于同样的于同样的uDS ， iD的值比的值比uGS=0时的值要小。在预夹时的值要小。在预夹断处断处, 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，沟道电阻越大，越大，沟道电阻越大，对同样的对同样的uDS ， iD 的值越小。所以，的值越小。所以，此时可以通过改变此时可以通过改变uGS 控制控制iD 的大小，的大小， iD与与uDS

5、 几乎无关，可以近似几乎无关，可以近似(jn s)看成受看成受uGS 控制的电流源。由于漏极控制的电流源。由于漏极电流受栅电流受栅-源电压的控制，所以场效应源电压的控制，所以场效应管为电压控制型元件。管为电压控制型元件。NGSD- + + UGSP+P+UDS+- -A第6页/共33页第七页，共34页。综上分析综上分析(fnx)可知可知 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所以场效应管也称为(chn wi)单极型三极管。单极型三极管。 JFET是电压控制电流是电压控制电流(dinli)器件，器件，iD受受uGS控制控制 预夹断前预

6、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，结是反向偏置的，因因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第7页/共33页第八页，共34页。3. JFET的特性曲线的特性曲线(qxin)及参数及参数2. 转移转移(zhuny)特特性性 )0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSD uUUuIi1. 输出特性输出特性 常量常量 DS)(GSDuufi常量常量 GS)(DSDuufiUGS(off)iDiD第8页/共33页第九页，共34页。 夹断电压夹断电压UGS(of

7、f)： 饱和饱和(boh)漏极电流漏极电流IDSS： 低频低频(dpn)跨导跨导gm：常常数数 DSGSDmuuig时）时）（当（当012GSGS(OFF)GSDSSm uUU)Uu(IgGS(OFF)GS(OFF)或或3. 主要参数主要参数漏极电流漏极电流(dinli)约为零时约为零时的的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的控制作的控制作用。用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西毫西门子门子)。 输出电阻输出电阻rd：常常数数 GSDDSduiur第9页/共33页第十页，共34页

8、。 结型场效应管的缺点结型场效应管的缺点(qudin)：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，但在某些以上，但在某些(mu xi)场合仍嫌不够高。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，将出现较大较大(jio d)的栅极电流。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页第十一页，共34页。一、增强型一、增强型 N 沟道沟道(u do) MOSFET

9、(Mental Oxide Semi FET)1.5.2 MOS 场效应管场效应管1. 结构结构(jigu)与符号与符号P 型衬底型衬底( (掺杂掺杂(chn z)(chn z)浓浓度低度低) )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 绝缘层绝缘层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页第十二页，共34页。 2. N沟道增强型沟道增强型MO

10、S管的工作管的工作(gngzu)原理原理1) uDS=0时，时， uGS 对沟道的控制对沟道的控制(kngzh)作用作用 当当uDS=0且且uGS0时，时， 因因SiO2的的存在，存在，iG=0。但。但g极为金属铝，因外加极为金属铝，因外加正向偏置电压而聚集正向偏置电压而聚集(jj)正电荷，从而正电荷，从而排斥排斥P型衬底靠近型衬底靠近g极一侧的空穴，使之极一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层( 0 UGS UGS(th) 。 当当uGS=0时，时， 漏漏-源之间是两个背靠背的源之间是两个背靠背的PN结，不结，不存在导电沟道，无论存在导电沟道，无

11、论 uDS 为多少，为多少， iD=0 。 s N+ N+ P （衬衬底底） g d B 第12页/共33页第十三页，共34页。 (uGS UGS(th) 当当uGS进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个进一步增加时，一方面耗尽层增宽，另一方面衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层型薄层(bo cn)，称之为反型层，构成了漏，称之为反型层，构成了漏-源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图所示。源之间的导电沟道（也称感生沟道），如图所示。 N+ N+ P （衬衬底底） B g uDS uGS s d 使沟道刚刚形成使沟道刚刚

12、形成(xngchng)的栅的栅-源电压称之为开源电压称之为开启电压启电压UGS(th)。 uGS越大，反型层越宽，导电沟道电越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。阻越小。第13页/共33页第十四页，共34页。1)uGS 对导电对导电(dodin)沟道的影响沟道的影响 (uDS = 0)a. 当当 UGS = 0 ，DS 间为两个间为两个(lin )背对背的背对背的 PN 结；结；b. 当当 0 UGS UGS(th)DS 间的电位间的电位差使沟道呈楔形，差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极，靠近漏极端 的 沟 道 厚 度端 的 沟 道 厚 度(hud)变薄变薄-梯梯形。形。预夹断预夹断(UGD =

13、UGS(th)：漏极附近：漏极附近(fjn)反型层反型层消失。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页第十六页，共34页。3. 输出特性曲线输出特性曲线(qxin)GS)(DSDUufi 可变电阻区可变电阻区uDS UGS(th) 时：时：2GS(th)GSDOD)1( UuIiuGS = 2UGS(th) 时的时的 iD 值值开启开启(kiq)电压电压O第17页/共33页第十八页，共34页。二、耗尽二、耗尽(ho jn)型型 N 沟道沟道 MOSFETSGDB 与与 N沟道

14、增强型沟道增强型MOS管不同的是，管不同的是， N沟道耗尽沟道耗尽型型MOS管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，管的绝缘层中参入了大量的正离子，所以，即使即使(jsh)在在uGS=0时，耗尽层与绝缘层之间仍然时，耗尽层与绝缘层之间仍然可以形成反型层，只要在漏可以形成反型层，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页第十九页，共34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(

15、off) 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /viD /mAO第25页/共33页第二十六页，共34页。4. 低频低频(dpn)跨导跨导 gm 常数常数 DSGSDmUuig反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位(dnwi) 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页第二十七页，共34页。PDM = uDS iD，受温度，受温度(wnd)限制。限制。5. 漏源动态漏源动态(dngti)电阻电阻 rds常数常数 GSdDS dsuiur6. 最大漏极功耗最大漏极功耗(n ho) P

16、DM第27页/共33页第二十八页，共34页。1.5.5 场效应管与晶体场效应管与晶体(jngt)三极管的比较三极管的比较一、场效应管是电压控制一、场效应管是电压控制(kngzh)器件，而晶体器件，而晶体管是电流控制管是电流控制(kngzh)器件器件二、场效应管利用一种二、场效应管利用一种(y zhn)多子导电，故又称为多子导电，故又称为单极型三极管单极型三极管,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，适合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。制造大规模集成电路。第28页/共33页第二十九页，共34页。1.5.5 场效应管与晶体场效应管与晶

17、体(jngt)三极管的比较三极管的比较 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

18、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页第三十页，共34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。试分析所示。试分析(fnx)各管子的类型。各管子的类型。 -3V uDS/V uGS=0V -1V -1V -2V 1V uGS=0V iD/mA -2V iD/mA -2V -1V uGS=-4V -3V vDS/V uDS/V iD/mA (a) (b) (c) 图图第30页/共33页第三十一页，共34页。 解解: (a) iD0（或（或uDS0），则该管为），则该管为N沟道沟道(u do)； 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(u do)； uGS0（或（或uDS0），则该管为），则该管为N沟道沟道(u do)； 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