双极和MOS晶体管

双极和MOS晶体管第1页/共36页一、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第2页/共36页NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流2.第3页/共36页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第4页/共36页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、第5页/共36页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第6页/共36页4.3晶体管的击穿电压BVcboBVceoBVeboBVceo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。第7页/共36页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时对应的频率第8页/共36页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第9页/共36页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第10页/共36页存在直流输入电流，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缺点第11页/共36页第12页/共36页§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。第13页/共36页场效应管结型场效应三极管JFET绝缘栅型场效应三极管IGFETJunctiontypeFieldEffectTransistorInsulatedGateFieldEffectTransistor分类N沟道P沟道第14页/共36页金属氧化物半导体三极管MOSFET－

MetalOxideSemiconductorFET增强型（EMOS）耗尽型（DMOS）N沟道P沟道N沟道P沟道第15页/共36页N+N+P+P+PUSGDN沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度S(Source)D(Drain)G(Gate)第16页/共36页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型区引出电极第17页/共36页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？第18页/共36页栅源电压VGS对iD的控制作用VGS<VTN时（VTN

称为开启电压)VGS＞VTN时(形成反型层)当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。0＜VGS＜VTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。当VGS＞VTN时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。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。第19页/共36页漏源电压VDS对iD的控制作用VGS＞VT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。

第20页/共36页转移特性曲线iD=f(vGS)VDS=const输入电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即：调制系数第21页/共36页输出特性曲线输出电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即：iD=f(vDS)VGS=const第22页/共36页VGS(th)=3VVDS

=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。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/VO12345转移特性曲线中，ID=0时对应的VGS

值，即开启电压VGS(th)。第23页/共36页

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。条件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非饱和区又称为可变电阻区。

ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V第24页/共36页数学模型：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。第25页/共36页

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。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)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。第26页/共36页数学模型：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

=(0.005~0.03)V-1第27页/共36页

截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/VOVDS=VGS–

VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作区域。IG

0，ID

0

击穿区VDS

增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿

ID剧增。VDS沟道l对于l较小的MOS管穿通击穿。第28页/共36页由于MOS管COX

很小，因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在SiO2

绝缘层中将产生很大的电压VGS(=Q/COX)，使绝缘层击穿，造成MOS管永久性损坏。MOS管保护措施：分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：TD2D1D1、D2

一方面限制VGS

间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。第29页/共36页N沟道耗尽型MOS管结构示意图在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在P型表面感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。转移特性曲线第30页/共36页耗尽型与增强型MOS管的差异耗尽型：当VGS＝0

时，存在导电沟道，ID≠0

增强型：当VGS＝0

时，没有导电沟道，ID＝0

电路符号第31页/共36页PMOS场效应管PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管相反。PMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺点是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制作的电路接口。PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和NMOS管构成CMOS电路。第32页/共36页场效应管参数开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。第33页/共36页场效