半导体器件蔡大华2场效应管.pptx

场效应管分类：场效应管分类：MOSFET(IGFET)JFETFETDSGN符符号号1.4.1结型场效应管结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构结构图图1.4.1N沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P型区型区耗尽层耗尽层(PN结结)导导电电沟沟道道是是N型型的的，称称N沟道结型场效应管沟道结型场效应管。分类：分类：N沟道和沟道和P沟道沟道在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。P沟道场效应管沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD符号符号GDS P P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N N 型型区区(N(N+)，导导电电沟沟道道为为 P P 型型，多多数数载载流流子为空穴。子为空穴。一、结型场效应管工作原理一、结型场效应管工作原理N沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变UGS大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流ID的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.当当UDS=0时时，uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导导电电沟沟比较宽比较宽UGS由由零零逐逐渐渐减减小小，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电电沟沟相相应应变窄。变窄。当当UGS=UGS（Off)，耗耗尽尽层层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道(b)UGS(off)UGSUGS（Off)，iD较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGSUGS（Off)，iD更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当uDS0时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGDuGSuDSGDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 uGS0,uGDuGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1)改改变变uGS，改改变变了了PN结结中中电电场场，控控制制了了iD，故故称称场场效效应应管管；(2)结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压，使使PN反反偏偏，栅栅极极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)(动画）动画）3.当当uGDuGS(off)时（预夹断之后），时（预夹断之后），uGS对漏极对漏极电流电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在uGDuGSuDSuGS(off)情况下情况下,即当即当uDSuGS-uGS(off)(即即g gd d间未出现夹断间未出现夹断)时，时，对应于不同的对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻，间等效成不同阻值的电阻，iDuDS 。(2)当当uDS使使uGDuGS(off)时，时，d-s之间预夹断。之间预夹断。(3)当当uDS使使uGDuGS-UGS（OFF）产生预夹产生预夹断后（指断后（指|uGD|UGS（OFF）|）的）的区域。区域。图中预夹断线的右边区域图中预夹断线的右边区域为恒流区。该区域内各曲线近为恒流区。该区域内各曲线近似为一组横轴的平行线。似为一组横轴的平行线。固定固定uGSGS，uDSDS由夹断点开始增加，夹断区增加，沟由夹断点开始增加，夹断区增加，沟道电阻增加。道电阻增加。iD D基本不变。基本不变。iD D与与uDSDS无关，具有无关，具有恒流特性恒流特性,这个区域也被称这个区域也被称为为恒流区恒流区。，iD D基本不变。基本不变。iD D与与uDSDS无关，无关，恒流区特点：恒流区特点：从从图图1.4.5输出特性上看：输出特性上看：恒流区恒流区相当于三极管的放大区，相当于三极管的放大区，JFETJFET放大器工作放大器工作在在恒流区恒流区。图图1.4.5 场效应管的输出场效应管的输出特性特性不不论论uDS多多大大，只只要要uGS变变化化，iD就就变变，uGS控控制制iD，iD与与UDS无无关关，因因而而可可将将iD近近似似为为电电压压uGS控控制制的的电电流流源源。iD D与与uDSDS无关，受谁控制无关，受谁控制呢？呢？iD D受受uGSGS控制控制 。夹断区夹断区当当uGSUGS（th）工作；工作；耗尽型：耗尽型：均能工作。均能工作。增强型增强型:耗尽型：耗尽型：绝缘栅型场效应管符号绝缘栅型场效应管符号一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管结构结构P型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极S漏极漏极D衬底引线衬底引线B栅极栅极G图图1.4.7N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDBMOSFET结构（动画）一、一、N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管1.工作原理工作原理绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管利利用用uGS来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况，以以控控制制漏漏极极电电流流iD。2.工作原理分析工作原理分析(1)uGS=0漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的PN结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种种极极性性电电压压，总总是是不不导导电电。SBDP型衬底型衬底N+N+BGSD(2)uDS=0，0uGSUT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏极形成电流漏极形成电流iD。b.uDS=uGSUT，uGD=UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c.uDSuGSUT，uGDUT由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，uDS逐逐渐渐增增大大时时，导导电电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。因而基本不变。a.uDSUTP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图1.4.9uDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)uGDUT(b)uGD=UT(c)uGDuGSUT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD。此时，此时，可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。Mos增强型增强型场效应管工作原理（动画）场效应管工作原理（动画）3.特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性uGSUT时时)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区(或或饱饱和和区区)、夹夹断断区。区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图图1.4.10(a)图图1.4.10(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在P型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反反型层型层”。即使。即使uGS=0也会形成也会形成N型导电沟道。型导电沟道。+uGS=0，uDS0，产产生生较大的漏极电流；较大的漏极电流；uGS0；UGS正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB(b)输出特性输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0 3V 1V 2V43215101520N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOS管的特性管的特性1)1)增强型增强型MOSMOS管管2)2)耗尽型耗尽型MOSMOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压（N沟道）沟道）三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th)0当当UGS0,V0,VDDDD00,V0,VCCCC00,PNP0,PNP：U UBEBE00用用FETFET做的集成电路芯片集成度高做的集成电路芯片集成度高一个芯片可放一个芯片可放2525万个件万个件用用T T做的集成电路芯片集成度低做的集成电路芯片集成度低一个芯片可放一个芯片可放1 1万左右个件万左右个件电压控制电压控制u uGSGSiiD D;低频跨导低频跨导g gm m电流控制电流控制i iB BiiC C;电流放大系数电流放大系数1.4.4场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较(4)(4)三个区三个区:可变电阻区、恒流区、夹断区可变电阻区、恒流区、夹断区不同：不同：温度稳定性好温度稳定性好;单极型。单极型。N:N:电电子导电子导电 即多子导电即多子导电;P:;P:空穴导电空穴导电本章小结本章小结 学完本章后，应能掌握以下几点：学完本章后，应能掌握以下几点：熟悉下列定义、概念及原理：熟悉下列定义、概念及原理：自自由由电电子子与与空空穴穴，扩扩散散与与漂漂移移，复复合合，空空间间电电荷荷区区、PNPN结结、耗耗尽尽层层，导导电电沟沟道道，二二极极管管的的单单向向导导电电性性，稳稳压压管管的的稳稳压压作作用用，晶晶体体管管与与场场效效应应管管的的放放大大作作用用及及三三个个工工作作区域。区域。掌掌握握二二极极管管、稳稳压压管管、晶晶体体管管、场场效应管的外特性效应管的外特性、主要参数的物理意义。主要参数的物理意义。了解选用器件的原则。了解选用器件的原则。