场效应三极管简介.ppt

1、1,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,2.7.1场效应晶体管简介,2,符号,1. 结型场效应管,（1）结构,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,3,P 沟道场效应管,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,4,（2）

2、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,5,在漏极与源极间电压一定时，漏极电流iD的大小取决于沟道的电阻，当材料电阻率和沟道长度一定时，沟道的电阻，主要由导电沟道的有效截面积决定，因此，通过改变导电沟道的截面积，就可以控制漏极电流iD的大小。,1）沟道电流的可控性,iD,6,2）栅源电压改变沟道大小,当漏极与源极之间的电压不变时，改变两个PN结耗尽层的大小，就可以控制导电沟道的有效截面

3、积的大小，也就改变沟道的导电能力。在栅极和源极之间加上负电压（即uGS 0），此时两个PN结均为反向偏置，加大这个反偏电压，耗尽层不断变宽，沟道的导电截面积逐渐减小，沟道电阻就随之增大，漏极电流iD将减小。当减小栅源间的反向偏置电压时，漏极电流将增大。这就是结型场效应管的简单工作原理。,7,(a)改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，故称场效应管； (b)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,3）结论,8,(3)特性曲线,转移特性测试电路(N 沟道结型场效应管为例),两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS =

4、 0 时的 ID),夹断电压 UP (ID = 0 时的 UGS),1）转移特性,9,1）转移特性,转移特性曲线,2）输出特性,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,10,输出特性有四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,2） 输出特性,uDS=0 时输出特性曲线,11,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,结型场效应管栅极基本不取

5、电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,在输出特性上用作图法求转移特性,12,2.绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,13,(1) N 沟道增强型 MOS 场效应管,1) 结构与符号,以P型材料为衬底，在其上制作两个N型区（用N+ 表示），引出两个电极作为源极s和漏d

6、，再在表面上覆盖一层二氧化硅 SiO2绝缘层，并在两个N+ 区之间的绝缘层外蒸发一层金属铝作栅极g。衬底引出引线B，将它与源极连在一起。图（b）是其电路符号，其箭头的方向表示由P型衬底指向N型沟道。,图 (a),图 (b),14,2) 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。UGS = 0，或者栅极悬空时，漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,15,工作原理,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,

7、(a) UDS = 0，0 UGS UT,16,(b) UDS = 0，UGS UT,由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。 UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,17,(c) UDS UT,导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,(d) UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,18,(e) UDS UGS UT， UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基

8、本不变，ID 因而基本不变。,19,3) 特性曲线,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT ，ID = 0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),四个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区和击穿区。,20,(2)N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,UGS = 0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；,UGS

9、 = - UP , 感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UP 称为夹断电压,21,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件： uDS 0； uGS 正、负、零均可。,(a)转移特性,(b)输出特性,(c)符号,22,3. 场效应管的主要参数,(1) 夹断电压 UP,(2) 开启电压 UT,(4) 直流输入电阻 RGS,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,(3)饱和漏极电流 IDSS,23,(5) 低频跨导 gm,(6) 极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,24,(7) 漏极最大允许耗散功率 PDM,(8) 漏源击穿电压 U(BR)DS,(9)