单极型三极管.ppt

1、2.2单极型半导体 三极管,引言,2.2.2 结型场效应管,2.2.3 场效应管的主要参数,2.2.1 MOS 场效应管,第 2 章半导体三极管,引 言,单极型三极管又叫场效应管 FET (Field Effect Transistor),场效应管特点：,1. 单极性器件(一种载流子导电),3. 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、寿命长。,2. 输入电阻高(107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ),第 2 章半导体三极管,场效应管的分类：,1.结型场效应管JFET (Junction Field Effect Transistor),2.金属氧化物半导体场效应管（MOSFET),M

2、OS场效应管的特点：,1.制造工艺简单、占用芯片面积小、特性便于控制。,2.成品率高、成本低、功耗小。,3.广泛应用在大规模和超大规模集成电路的制造。,MOS场效应管的分类：,增强型,N沟道,P沟道,耗尽型,N沟道,P沟道,第 2 章半导体三极管,一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),2.2.1 MOS 场效应管,1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极

3、Drain,MOSFET结构,第 2 章半导体三极管,衬底引线B（在管中已与S相连）,G与D、S之间无电接触故叫绝缘栅极,衬底B的箭头表示PN结加正偏时的电流方向,2. 工作原理和转移特性曲线,1)工作原理 uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GP 间的垂直电场吸引 P 区中电子而排斥空穴，少子电子在衬底表面形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,反型层 (沟道),第 2 章半导体三极

4、管,D、S加正电压，形成S到D的电子运动，形成漏电流（在N型导电沟道中),UGS(th)(开启电压)是形成N型导电沟道的栅源电压,UDS = 10 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时，增强型N沟道MOS场效应管的转移特性的近似表达式,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,当DS 间加的正向电位UDS足够大时，iD将随UGS的大小而变。形成的转移特性曲线如右图,1、 uGS U GS(th)没有导电沟道，iD0。,2、 uGSU GS(th)形成导电沟道，产生iD,3、 uGS增大，反型层变厚，沟道电阻减小 iD跟随增加。,4、 uDS uGSU GS(t

5、h)后，uDS对iD的 影响可忽略，转移特性曲线基本重合,2） 转移特性曲线,第 2 章半导体三极管,1) uDS 对沟道的影响(uGS UGS(th),预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,MOS工作原理,第 2 章半导体三极管,3. 输出特性曲线描述以uGS为参变量时iD与uDS之间的关系曲线,1、 uDS增加，使靠近漏极端的沟道厚度变薄。 uDS较小时，沟道变化不大基本均匀，沟道电阻基本固定。 iD随uDS的增加而线性增加。,2、 uDS增加到uDS UGS UGS(th)时，漏极附近的反型层消失

6、（沟道夹断）。,3、 uDS继续增加，夹断点向源极扩展。,4、沟道夹断后，iD几乎不随uDS变化而趋于饱和。,2）输出特性曲线,1、可变电阻区（非饱和区）：uDS较小时， uDS uGS UGS(th)。当uGS一定时，iD与uDS成线性关系，uDS iD 。直到预夹断 直线斜率受uGS的控制。,2、饱和(放大区)：UDSuGS U GS(th)。曲线近似为一族平行于uDS轴的直线，iD仅受uGS的控制而与uDS基本无关。 uDS，iD 不变,3、截止区：uGS UGS(th) ，全夹断 ，沟道消失，iD = 0 ，管子处于截止状态。,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,恒流区,放大区,O,第

7、 2 章半导体三极管,定义：以uGS为参变量时漏极电流iD与漏极电压uDS之间的曲线。,输出特性曲线分三个区：,uGS UGS(th),二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子 在 uGS = 0 时已形成沟道； 在 DS 间加正电压时形成 iD。,输出特性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,由转移曲线，当 uGS UGS(off) 时，,O,第 2 章半导体三极管,当uGS由零值正向增加时，反型层加厚，导电能力加强，iD更大。,当uGS由零值负向增加时，反型层变薄，导电能力减弱，iD减小。直到反型层消失，iD0。,饱和漏极电流IDSS:

8、是当uGS0时，uDS为正，形成的iD。,夹断电压：使反型层消失的栅源电压。用UGS(off)表示。,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,第 2 章半导体三极管,以N型半导体硅为衬底,以N型半导体硅为衬底,两个P+区作为S、D极,两个P+区作为S、D极,uGS、uDS的极性与NMOS管相反，为负值。,uGS、uDS的极性与NMOS管相反，为负值。,衬底在管内一般已与源极相连,衬底在管内一般已与源极相连,2.2.2 结型场效应管,1. 结构与符号,JFET结构,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,第 2 章半导体三极管,以N型单晶硅为导电沟道,以P型单晶硅为导电沟道,两侧形成高掺杂浓

9、度的P区，并形成两个PN结。,两侧形成高掺杂浓度的N区，并形成两个PN结。,两个P区连在一起，形成栅极。,两个N区连在一起，形成栅极。,两端引出电极S、D。,两端引出电极S、D。,2. 工作原理,预夹断,当 uGS 继续负向增加，预夹断点下移，直至iD0。此时 uGS = U GS(off)； U GS(off)为夹断电压,3. 转移特性和输出特性,UGS(off),当 UGS(off) uGS 0 时,iD与uGS的关系式：,JFET工作原理,O,O,第 2 章半导体三极管,要求两个PN结反向偏置,uGS 0， u DS 0 沟道呈楔型,uGS为负，PN结加宽，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减

10、小。,uGS负向增大，沟道变窄，耗尽层刚相碰时称预夹断。,IDSS为UGS=0时的漏极饱和电流,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,N 沟道结型,P 沟道结型,FET 符号、特性的比较,第 2 章半导体三极管,2.2.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。,UGS(th),2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。,JFET