场效应管.ppt

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1、第六节第六节 场效应管场效应管v 英文缩写：英文缩写：FETFETv 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型：件，从制做工艺的结法上分为两大类型：v 第一类：结型场效应管（第一类：结型场效应管（JFETJFET）v 第二类：绝缘栅型场效应管（第二类：绝缘栅型场效应管（IGFETIGFET）v 又称：金属一氧化物一半导体型（又称：金属一氧化物一半导体型（MOSFETMOSFET）;简称简称 MOSMOS型场效应管型场效应管。1v 其中其中MOSMOS场效管具有制造工艺简单，占用芯场效管具有制造工艺简单，占用芯片面积小

2、，器件的特性便于控制等特点。因此片面积小，器件的特性便于控制等特点。因此MOSMOS管是当前制造超大规模集成电路的主要有管是当前制造超大规模集成电路的主要有源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电路技术。路技术。2一、一、MOSMOS场效应管场效应管v MOSMOS管又分为管又分为 增强型（增强型（EMOSEMOS）两种两种v 耗尽型（耗尽型（DMOSDMOS）v 每一种又有每一种又有 N N沟道型沟道型v P P沟道型沟道型v 所以一共有四种：所以一共有四种：v N N沟道增强型（沟道增强型（NEMOSNEMOS）P P沟道增强型（沟道增强型（PEMO

3、SPEMOS）v N N沟道耗尽型（沟道耗尽型（NDMOSNDMOS）P P沟道耗尽型（沟道耗尽型（PDMOSPDMOS）3现在以现在以N N沟道增强型沟道增强型为例讨论为例讨论MOSMOS管的工作原理：管的工作原理：1 1、结构：、结构：NEMOSNEMOS管以管以P P型硅片为衬底。型硅片为衬底。v 再在衬底上扩散两个再在衬底上扩散两个N N+区区（高掺杂），分别为（高掺杂），分别为源区和源区和漏区漏区。则源区和漏区分别与。则源区和漏区分别与P P型衬底形成两个型衬底形成两个PNPN+结。结。v 在在P P型衬底表面生长着一薄层的二氧化硅（型衬底表面生长着一薄层的二氧化硅（S Si iO

4、O2 2）的绝的绝缘层，并在两个缘层，并在两个N N+区之间的绝缘层上覆盖一层金属，然区之间的绝缘层上覆盖一层金属，然后在上面引出电极为后在上面引出电极为栅极栅极（G G）；）；v 源区和漏区引出的电极分别为源区和漏区引出的电极分别为源极源极（S S）和和漏极漏极（D D）v 而从衬底通过而从衬底通过P P+引线引出的电极称为衬底极（引线引出的电极称为衬底极（U U）。）。4如下图所示：如下图所示：5v2 2、电路符号：如各图片所示、电路符号：如各图片所示 v3 3、工作原理：、工作原理：v 在栅极电压在栅极电压V VGSGS作用下，漏区和源区作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。然后在漏极电压

5、之间形成导电沟道。然后在漏极电压V VDSDS作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。区，产生自漏极流向源极的电流。v 因此，改变栅极电压因此，改变栅极电压V VGSGS即可控制导即可控制导电沟道的导电能力，使漏极电流电沟道的导电能力，使漏极电流I ID D发生发生变化，从而起到正向控制作用。变化，从而起到正向控制作用。6（1 1）导电沟道形成原理：）导电沟道形成原理：v 在通常情况下，源极（在通常情况下，源极（S S）一般都与衬底极（一般都与衬底极（U U）相连，即相连，即V VUSUS=0=0；而正常工作时，源区和漏区的两个而正常工

6、作时，源区和漏区的两个N N+区与衬底之间的区与衬底之间的PNPN结必须加反偏电压，因此，漏结必须加反偏电压，因此，漏极对源极的电压极对源极的电压V VDSDS必须为正值。必须为正值。v 即正常工作时即正常工作时 ：V VGS GS 0,V 0,VDS DS 0 0，且，且V VDS DS V VGSGSv 先设先设V VDSDS=V=VGSGS=0=0，两个两个N N+区各自被空间电荷区区各自被空间电荷区包围而隔断。包围而隔断。78v 加上加上V VGSGS00，产生自产生自S Si iO O2 2PP型衬底的电场型衬底的电场E E，电场电场E E将两个将两个N N+区的多子电子和区的多子电

7、子和P P型衬底中的少型衬底中的少子电子吸向衬底的表面与多子空穴复合而消失，子电子吸向衬底的表面与多子空穴复合而消失，同时又排斥衬底中的空穴向同时又排斥衬底中的空穴向P P的底层。的底层。v 这样在衬底表面的薄层中形成以负离子为主这样在衬底表面的薄层中形成以负离子为主的空间电荷区，并与两个的空间电荷区，并与两个PNPN结的空间电荷区相通。结的空间电荷区相通。v 此时，由于电荷平衡原理，空间电荷区的纯此时，由于电荷平衡原理，空间电荷区的纯负电荷量等于金属栅上的正电荷量。可见，当负电荷量等于金属栅上的正电荷量。可见，当V VGSGS=0=0或较小的正值或较小的正值时，源区和漏区之间均被时，源区和漏

8、区之间均被空空间电荷区间电荷区隔断。隔断。9vV VDS DS=V=VGS GS=0=0，两个两个N N+区各自被空间电荷区包围而隔断。区各自被空间电荷区包围而隔断。vU UDS DS=0=0，0 0 U UGS GS U UGSGS（THTH）时，形成空间电荷区时，形成空间电荷区1011v 增大增大V VGSGS，使两个使两个N N+区和衬底中的电子进一区和衬底中的电子进一步被吸引到衬底表面的薄层中，并进一步排斥步被吸引到衬底表面的薄层中，并进一步排斥该薄层中的空穴，直到其间自由电子浓度大于该薄层中的空穴，直到其间自由电子浓度大于空穴浓度，则薄层的导电类型就由原来的空穴浓度，则薄层的导电类型

9、就由原来的P P型转型转变为变为N N型，且与两个型，且与两个N N+区相通，因此我们称这区相通，因此我们称这时的薄层为反型层。而由时的薄层为反型层。而由P P型转变而来的。型转变而来的。v 当外加当外加V VDSDS00时，源区中多子电子将沿这个时，源区中多子电子将沿这个反型层漂移到漏区反型层漂移到漏区D D，形成自漏极形成自漏极D D流向源极流向源极S S的漏极电流的漏极电流I ID D。v因此，通常将反型层称为源区和漏区之间的因此，通常将反型层称为源区和漏区之间的导导电沟道电沟道。这个沟道由电子形成，故称为。这个沟道由电子形成，故称为N N沟道。沟道。1213v 可以看出，可以看出，V

10、VGSGS反型层中的自由电子浓度反型层中的自由电子浓度，沟道导，沟道导电能力电能力，则在，则在V VDS DS 作用下的作用下的 I ID D。v 形成反型层后，根据电荷平衡原理，反型层中的电子形成反型层后，根据电荷平衡原理，反型层中的电子电荷量和空间电荷区中的负离子电荷量之和等于金属栅电荷量和空间电荷区中的负离子电荷量之和等于金属栅上的正电荷量。上的正电荷量。v 现将刚开始形成反型层所需的现将刚开始形成反型层所需的V VGS GS 值称为开启电压，值称为开启电压，用用 V VGS(thGS(th)表示，表示，V VGS(thGS(th)的大小决定于的大小决定于MOSMOS管的工艺参数。管的工

11、艺参数。v 当当V VGS GS V VGS(thGS(th)时，沟道形成，时，沟道形成，I ID D随随V VGSGS增大而增大。增大而增大。14（2 2）V VDSDS对沟道导电能力的控制对沟道导电能力的控制v 当当NEMOSNEMOS管在形成沟道后，在正值电压管在形成沟道后，在正值电压V VDSDS作用下，作用下，源区的多子电子沿着沟道行进行到漏区，形成漏极电流源区的多子电子沿着沟道行进行到漏区，形成漏极电流I ID D。v 由于由于I ID D通过沟道形成自漏极到到源极方向的电位差。通过沟道形成自漏极到到源极方向的电位差。因此加在因此加在“平极电容器平极电容器”上的电压将沿着沟道而变化

12、上的电压将沿着沟道而变化:近源极端的电压最大，其值为近源极端的电压最大，其值为V VGSGS，相应的沟道最深；相应的沟道最深；v 离开源极端，越向漏极端靠近，电压就越小，沟道也离开源极端，越向漏极端靠近，电压就越小，沟道也就越浅；直到漏极端，电压最小，其值为：就越浅；直到漏极端，电压最小，其值为：v V VGD GD=V=VGS GS -V-VDSDS，相应的沟道最浅。相应的沟道最浅。v 因此，在因此，在V VDSDS作用下，导电沟道的深度是不均匀的，作用下，导电沟道的深度是不均匀的，呈锥状变化，如下图：呈锥状变化，如下图：151617（3 3）沟道长度调制效应）沟道长度调制效应v 但在实际上

13、，预夹断后，继续增大但在实际上，预夹断后，继续增大V VDSDS，夹断点夹断点A A会略向源极会略向源极S S方向移动，导致方向移动，导致A A点到点到S S极之间的沟道长度略有减小，相应极之间的沟道长度略有减小，相应的沟道电阻就略有减小，从而有更多电子的沟道电阻就略有减小，从而有更多电子漂移到漂移到A A点，造成点，造成I ID D略有增大，如上图中略有增大，如上图中虚线所示，这种效应我们称为场效应管的虚线所示，这种效应我们称为场效应管的沟道长度调制效应。（显然，这种效应与沟道长度调制效应。（显然，这种效应与三极管中的基区宽度调制效应类似）一般三极管中的基区宽度调制效应类似）一般情况下，由情

14、况下，由V VDSDS引起的引起的I ID D的增大是很小的，的增大是很小的，可以忽略。可以忽略。1819（4 4）结论）结论v 通过对通过对EMOSEMOS管的工作原理的阐述，我管的工作原理的阐述，我们可以看到，们可以看到，MOSMOS管是依靠多子电子的一管是依靠多子电子的一种载流子进行导电的，所以是单极型器件，种载流子进行导电的，所以是单极型器件，而晶体三极管是依靠电子和空穴两种载流而晶体三极管是依靠电子和空穴两种载流子导电的，所以是双极型器件。子导电的，所以是双极型器件。204 4、伏安特性、伏安特性v（以共源极（以共源极MOSMOS电路为例）电路为例）在在MOSMOS管中，输入栅极电流

15、是平板电容管中，输入栅极电流是平板电容器的泄漏电流，其值近似为零，因此器的泄漏电流，其值近似为零，因此MOSMOS管的伏安特性我们只讨论输出特性：管的伏安特性我们只讨论输出特性：I ID D=f(Vf(VDSDS)|)|VgsVgs=常数常数v 如右图示为如右图示为N N沟道的沟道的EMOSEMOS管的输出特管的输出特性，分为四个区：非饱和区、饱和区、截性，分为四个区：非饱和区、饱和区、截止区和击穿区。止区和击穿区。21非饱和区非饱和区饱和区饱和区截止区截止区亚阀区亚阀区2223二、二、P P沟道沟道EMOSEMOS场效应管场效应管v 结构：结构：在在N N型衬底中，扩散两个型衬底中，扩散两个

16、P P+区，分别作为漏区区，分别作为漏区和源区，并在两个和源区，并在两个P P+区之间的区之间的S Si iO O2 2绝缘层上覆盖栅绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了极金属层，就构成了P P沟道沟道EMOSEMOS管。管。v 工作原理：工作原理：为保证为保证PNPN结反偏，且在绝缘层下形成反型层，结反偏，且在绝缘层下形成反型层，衬底必须接在电路的最高电阻上，且衬底必须接在电路的最高电阻上，且V VGSGS和和V VDSDS必须必须为负值。为负值。在在V VDSDS作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流I ID D。v 电路符号：电路符号：2425三、耗尽型三、

17、耗尽型MOSMOS场效应管（场效应管（DMOSDMOS）v（1 1）结构：）结构：v DMOSDMOS与与EMOSEMOS管在结构上类似，唯一管在结构上类似，唯一差别为：衬底表面扩散了一薄层与衬底导电差别为：衬底表面扩散了一薄层与衬底导电类型相反的掺杂区，作为漏、源区之间的导类型相反的掺杂区，作为漏、源区之间的导电沟道，如图：电沟道，如图：v（2 2）相对应的电路符号：）相对应的电路符号：2627四、四种四、四种MOSMOS场效应管的比较场效应管的比较v表表3-1-13-1-12829五、结型场效应管（五、结型场效应管（JFETJFET）v分为分为N N沟道和沟道和P P沟道：沟道：v电路符号

18、：电路符号：303132六、场效应管的应用六、场效应管的应用v 场效应管与晶体管三极管一样，也是具有场效应管与晶体管三极管一样，也是具有非线性和可控性的三端器件，因而用晶体三非线性和可控性的三端器件，因而用晶体三极管构成的功能电路一般也能用场效应管来极管构成的功能电路一般也能用场效应管来实现。实现。v 如：放大电路、电流源、如：放大电路、电流源、v 有源电阻、开关器件等。有源电阻、开关器件等。33UGS=0时无沟道时无沟道340UGSUT时时出现耗尽层出现耗尽层35UGSUT时出现时出现N沟道沟道36UDS较大时沟道较大时沟道夹断夹断37UGSUT时出现时出现N沟道沟道UDS较大时沟道夹较大时沟道夹断断UGS=0时出现时出现无沟道无沟道0UGSUT时时出现耗尽层出现耗尽层38