《场效应晶体》PPT课件.ppt

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1、场效应晶体管场效应管的特点结型场效应管绝缘栅场效应管第四章第四章绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管第四节第四节场效应晶体管简称场效应管，用场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示来表示 （Field Effect Transistor）。）。一、绝缘栅场效应管一、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管是一种金属绝缘栅场效应管是一种金属氧化物氧化物半导体场效半导体场效应管，简称应管，简称MOS管。管。MOS管按管按工作工作方式方式分类分类增强型增强型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道第四节第四节（一）（一）N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结

2、构和工作原理管的结构和工作原理NNb-衬底引线衬底引线sgdP衬底衬底bSiO2绝绝缘层缘层g-栅极栅极S-源极源极d-漏极漏极N型区型区ggssddbb箭头方向是区别箭头方向是区别N沟道与沟道与P沟道的标志沟道的标志第四节第四节N沟道沟道P沟道沟道铝铝2.工作原理工作原理（1）感生沟道的形成）感生沟道的形成在电场的作用下，可以把在电场的作用下，可以把P型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥型衬底表面层中多数载流子空穴全部排斥掉，形成空间电荷区。掉，形成空间电荷区。当当uGS增加到某一临界电压增加到某一临界电压(UT)值时，吸引足够多的电子，在值时，吸引足够多的电子，在P型半导型半导体的表面附近

3、感应出一个体的表面附近感应出一个N型层型层,形成反型层形成反型层漏源之间的导电沟道。漏源之间的导电沟道。开始形成反型层的开始形成反型层的uGS称为开启电压称为开启电压(UT)。uGS越高，电场越强，感应越高，电场越强，感应的电子越多，沟道就越宽。的电子越多，沟道就越宽。uGSgb自由电子自由电子反型层反型层耗尽区耗尽区第四节第四节绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏控制漏-源极间电流的大小。源极间电流的大小。栅极和源极之间加正向电压栅极和源极之间加正向电压耗尽区耗尽区铝铝SiO2衬底衬底 P型硅型硅gbuGS受主离子

4、受主离子空穴空穴（2）栅源电压）栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用在栅源电压在栅源电压uGS=0时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向时，没有导电沟道。漏源极之间存在两个背向PN结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，结，其中一个为反向偏置，只能流过很小的反向饱和电流，iD0。增大增大VGG，使，使uGS=UT时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，时形成导电沟道。在正向漏源电压作用下，沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流沟道内的多子（电子）产生漂移运动，形成漏极电流iD。uGS变大变大iD变大变大沟道宽度变宽沟道宽度变宽沟道电阻变小沟道电阻变小N

5、NVDDVGGsdbgiDPN沟道沟道uGSUT时才能形成导电沟道时才能形成导电沟道第四节第四节uGS对对iD的控制作用：的控制作用：（3）漏源电压）漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流iD的影响的影响uGSUT 时，沟道形成。当时，沟道形成。当uDS较小，即较小，即uGDUT时，沟道宽度受时，沟道宽度受uDS的影的影响很小，沟道电阻近似不变，响很小，沟道电阻近似不变，iD随随uDS的增加呈线性增加。的增加呈线性增加。当当uDS增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变窄。随着窄。随着uDS增大，沟道电阻迅速增大，增大，沟

6、道电阻迅速增大，iD不再随不再随uDS线性增大。线性增大。继续增大继续增大uDS，则，则uGD UTuGD=UTuGDUT，uDS很小，很小，uGDUT的的情况。情况。若若uGS不变，沟道电阻不变，沟道电阻rDS不变，不变，iD随随uDS的增大而线性的增大而线性上升。上升。uGS变大，变大，rDS变小，看作变小，看作由电压由电压uGS控制的可变电阻。控制的可变电阻。第四节第四节 截止区截止区该区对应于该区对应于uGSUT的情况的情况由于没有感生沟道，故电流由于没有感生沟道，故电流iD0，管子处于截止状态。，管子处于截止状态。2 4 6 8 1012 14161234560uGS=6V435uD

7、S(V)iD(mA)2 恒流区恒流区（饱和区）饱和区）区区对应对应 预夹断后，预夹断后，uGSUT，uDS很大，很大，uGDUT）其中其中K为常数，由管子结构决定，可以估算出来。为常数，由管子结构决定，可以估算出来。第四节第四节UT（三）（三）N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的主要参数管的主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数第四节第四节 1.直流参数直流参数（2）直流输入电阻）直流输入电阻RGS（1）开启电压）开启电压UT在在衬衬底底表表面面感感生生出出导导电电沟沟道道所所需需的的栅栅源源电电压压。实实际际上上是是在在规规定定的的uDS条条件件下下，增增大大uGS，

8、当当iD达达到到规规定定的的数数值值时时所所需需要的要的uGS值。值。在在uDS=0的的条条件件下下，栅栅极极与与源源极极之之间间加加一一定定直直流流电电压压时时，栅栅源源极极间间的的直直流流电电阻阻。RGS的的值值很很大大，一一般般大于大于 。第四节第四节2.交流参数交流参数定义：当定义：当uDS一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源电压变化量之比，即电压变化量之比，即gm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导它可以从输出特性上求出，或根据

9、转移特性的表达式求导数得到。数得到。（2）极间电容：）极间电容：栅、源极间电容栅、源极间电容Cgs和栅、漏极间电容和栅、漏极间电容Cgd，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。第四节第四节（1）跨导）跨导gm3.极限参数极限参数是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指管子允许的最大耗散功率，是指管子允许的最大耗散功率，相当于双极型晶体管的相当于双极型晶体管的PCM。第四节第四节2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（1）漏极最大允许电流）漏极最大允许电流IDM（2）漏

10、极最大耗散功率）漏极最大耗散功率PDM在输出特性上画出临界最大功耗在输出特性上画出临界最大功耗线。线。是指在是指在uDS=0时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路电流所需的电流所需的uGS值。击穿将会损坏管子。值。击穿将会损坏管子。是指在是指在uDS增大时，使增大时，使iD开始急剧增开始急剧增加的加的uDS值。值。（3）栅源极间击穿电压）栅源极间击穿电压U(BR)GS（4）漏源极间击穿电压）漏源极间击穿电压U(BR)DSU(BR)DS此时不仅产生沟道中的电子参与导此时不仅产生沟道中的电子参与导电，空间电荷区也发生击穿，使电电，空间电荷区也发生击穿，

11、使电流增大。流增大。第四节第四节2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（四）（四）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管1.工作原理工作原理VDDNNsgdbPiDN沟道沟道结构示结构示意图意图SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。绝缘层中掺入大量的正离子。P衬底表面已经出现反型层，存在导衬底表面已经出现反型层，存在导电沟道。电沟道。在在uGS=0时时当当uGS0时时感生沟道加宽，感生沟道加宽，iD增大。增大。感生沟道变窄，感生沟道变窄，iD减小。减小。当当uGS达到某一负电压值达到某一负电压值UP时，抵消时，抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消了由正离子产生

12、的电场，导电沟道消失，失，iD0，UP称为夹断电压。称为夹断电压。当当uGS0时时第四节第四节sgdb符号符号输出特性输出特性转移特性转移特性2 4 6 8 1012 14160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.特性曲线特性曲线预夹断轨迹方程：预夹断轨迹方程：转移特性曲线方程：转移特性曲线方程：其中其中IDSS是是uGS=0时的时的iD值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。值，称为零偏漏级电流，也称饱和漏极电流。第四节第四节3.主要参数主要参数实际测量时，是在规定的实际

13、测量时，是在规定的uDS条件下，使条件下，使iD减小到规定的减小到规定的微小值时所需的微小值时所需的uGS值。值。该电流为该电流为uDS在恒流区在恒流区范围内，且范围内，且uGS=0v时时的的iD值，亦称饱和漏值，亦称饱和漏极电流。极电流。第四节第四节（1）夹断电压）夹断电压UP是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。（2）零偏漏极电流）零偏漏极电流IDSS它反映了零栅压时原始它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。沟道的导电能力。iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V二、结型场效应管二、结型场效应管JFET(

14、Junction Field Effect Transistor)两个两个P+区中间的区中间的N型半导体，在加上正向型半导体，在加上正向uDS电压时就有电流流过，故称为电压时就有电流流过，故称为N沟道。沟道。S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP第四节第四节S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP当当uGS=0时，就有导电沟道存在，故而这种管子时，就有导电沟道存在，故而这种管子也属于耗尽型场效应管。也属于耗尽型场效应管。sdgVDDVGGP沟道沟道uGSuDSiDNsgd第四节第四节N沟道结型场效应管沟道结型场效应管sdgVGGPuGS改变改变uGS的大小，就可以的大小，就可以改变沟道宽窄，

15、即改变改变沟道宽窄，即改变沟道的电阻，从而控制沟道的电阻，从而控制iD的大小。这与绝缘栅场的大小。这与绝缘栅场效应管是一样的。效应管是一样的。dN沟沟道道空间电荷区空间电荷区sgPuGS=0sdgVGGPuGSUP uGS UPuGD=UPuGDUPuDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响VGGsdgVDDsdgVDDVGG随着随着uDS增大，增大，PN结加宽，将产生结加宽，将产生预夹断。预夹断。第四节第四节UP 0，则两个，则两个PN结是正向结是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏管子。管子。IDSS2 4 6 8 101214161234560

16、uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲线特性曲线第四节第四节三、场效应管的特点三、场效应管的特点场效应管与双极型晶体管相比：场效应管与双极型晶体管相比：（）（）场效应管中场效应管中，导电过程是多数载流子的漂移，导电过程是多数载流子的漂移运动，故称为单极型晶体管；运动，故称为单极型晶体管；双极型晶体管双极型晶体管中既有中既有多子的扩散运动又有少子的漂移运动。多子的扩散运动又有少子的漂移运动。（）场效应管场效应管是通过栅极电压是通过栅极电压uGS来控制漏极电流来控制漏极电流iD，称为电压控制器件；，称为电压控制器件；双极型晶体管双极型晶体管是利用基极电是利用基极电流流i

17、B（或射极电流（或射极电流iE）来控制集电极电流）来控制集电极电流iC，称为电，称为电流控制器件。流控制器件。第四节第四节（）（）场效应管场效应管的输入电阻很大；的输入电阻很大；晶体管晶体管的输入电的输入电阻较小。阻较小。注意注意：MOSMOS管在使用时应避免悬空，保存管在使用时应避免悬空，保存不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁不用时必须将各级间短接；焊接时电烙铁外壳要可靠接地。外壳要可靠接地。s sg gd dR RD DZ1Z1D DZ2Z2栅极过压保护电路栅极过压保护电路当电压过高时，将有一个稳压当电压过高时，将有一个稳压管击穿稳压，限制了管击穿稳压，限制了uGS的增大，的增大，起到保

18、护管子的作用。起到保护管子的作用。第四节第四节（）（）场效应管场效应管的跨导的跨导gm的值较小，的值较小，双双极型晶体管极型晶体管的的值很大。在同等条件下，值很大。在同等条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。场效应管的放大能力不如晶体管高。（）（）结型场效应管结型场效应管的漏极和源极可以的漏极和源极可以互换使用，互换使用，MOS管管如果衬底没有和源极如果衬底没有和源极接在一起，也可将接在一起，也可将d、s极互换使用；极互换使用；双级型晶体管双级型晶体管的的c和和e极互换则称为倒极互换则称为倒置工作状态，此时置工作状态，此时将变得非常小。将变得非常小。（6）场效应管场效应管可作为压控电阻使用。

19、可作为压控电阻使用。第四节第四节(7）场场效效应应管管是是依依靠靠多多子子导导电电，因因此此具具有有较较好好的的温温度度稳稳定定性性、抗辐射性和较低的噪声。抗辐射性和较低的噪声。由由图图可可见见，不不同同温温度度下下的的转转移移特特性性的的交交点点Q（即即工工作作点点）的的ID、UDS几乎不受温度影响。几乎不受温度影响。晶晶体体管管的的温温度度稳稳定定性性差差，抗抗辐辐射及噪声能力也较低。射及噪声能力也较低。Q+125+25T=-55iD(mA)uGS(V)uDS=10V场效应管场效应管还有一些缺点：如还有一些缺点：如功率小，速度慢功率小，速度慢等。但由于等。但由于它它工艺简单，易于集成工艺简

20、单，易于集成，故广泛应用于集成电路。，故广泛应用于集成电路。第四节第四节本本 节节 要要 点点1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管场效应管是利用栅场效应管是利用栅-源极外加电压源极外加电压uGS产生的电场效应来改变导产生的电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流源极间电流iD的大小，可将的大小，可将iD看作看作由电压由电压uGS控制的电流源。控制的电流源。2 4 6 8 101214161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V1 2 3 4 56UT输出特性输出特性转移特性转移特性场效应管有截止区、恒流

21、区和可变电阻区三个工作区域。场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。它的主要参数有它的主要参数有gm、UT或或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和和极间电容。极间电容。第四节第四节输输出出特特性性转转移移特特性性2 4 6 8 1012 14160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UPIDSSuDS=10V2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管3.N沟道结型场效应管沟道结型场效应管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUPIDSS2 4 6 8 101214161234560u

22、GS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234第四节第四节本本 章章 小小 结结本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、双极型晶体管（半导体二极管、双极型晶体管（BJT）和场效应）和场效应管（管（FET）的工作原理、特性曲线和主要参数。）的工作原理、特性曲线和主要参数。一、一、PN结结在本征半导体中掺入不同杂质就形成在本征半导体中掺入不同杂质就形成N型半导体与型半导体与P型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，从而实现导电性能的可控性。其导电性，从而实现导电性能的可控性。

23、1.杂质半导体杂质半导体第四章第四章将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，从而形成平衡，从而形成PN结。结。正确理解正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。器件的特性和参数。2.PN结结载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运

24、动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。第四章第四章二、半导体二极管二、半导体二极管一个一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管。结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。值很小；体现出单向导电性。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向

25、导电性。利用利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管。结击穿时的特性可制成稳压二极管。IF、IR、UR和和fM是二极管的主要参数。是二极管的主要参数。第四章第四章三、晶体管三、晶体管晶体管具有电流放大作用。晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流流iC，体现出，体现出iB（或（或iE，uBE）对）对iC的控制作用。

26、此时，可将的控制作用。此时，可将iC看作为电流看作为电流iB控制的电流源。控制的电流源。晶体管的输入特性和输出特性表明各级之间电流与电压的关晶体管的输入特性和输出特性表明各级之间电流与电压的关系，系，、ICBO（ICEO）、）、ICM、U(BR)CEO、PCM和和fM是它的是它的主要参数。主要参数。晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子在不同工作区的外部条件。应特别注意使管子在不同工作区的外部条件。第四章第四章四、场效应管四、场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种

27、不同的沟道：型均分为两种不同的沟道：N沟道和沟道和P沟道，而沟道，而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管工作在恒流区时，利用栅场效应管工作在恒流区时，利用栅-源之间外加电压所产源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流动所产生的漏极电流iD。此时，可将。此时，可将iD看作由电压看作由电压uGS控控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。gm、UT或或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和极间电容是它和极间电容是它的主要参数。的主要参数。和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流区和和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。可变电阻区三个工作区域。第四章第四章