电路基础与集成电子技术-电子教案与习题解答-蔡惟铮 第4章 半导体二极管和晶体管 4.5 场效应半导体晶体管

第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.5 场效应半导体晶体管,4.5.2 绝缘栅场效应晶体管,4.5.1 结型场效应晶体管,4.5.3 场效应晶体管的参数和型号,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,双极型晶体管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源器件（CCCS）。,晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或半导体晶体管。晶体管有两大类型: 一是双极型晶体管(BJT)， 二是场效应晶体管(FET)。,场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（VCCS）。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.5.1.1 结型场效应晶体管的结构,JFET的结构如图4.5.1所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道区,图4.5.1 结型场效应管的结构,PN结,域的结构。两个P区连在一起即为栅极G，N型硅的一端是漏极D，另一端是源极S。,根据结型场效应管的结构，只能工作在反偏条件下，才没有栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,N沟道,右上角出现的是符号。,4.5.1 结型场效应晶体管,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,1. 栅源电压对沟道的控制作用,4.5.1.2 结型场效应管的工作原理,场效应管是一种电压控制电流源器件，它的漏极电流受栅源电压UGS和漏源电压UDS的双重控制。,图01.04.02 栅源电压的控制作用,在漏、源之间加有一固定 电压时，在漏、源间的N型沟 道中将产生漏极电流。,当UGS继续减小时，N沟 道将变窄，ID将减小，直至为 零。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,当UGS=0，加有一定UDS时，形成的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS。当UGS0时，PN结反偏，ID将减小。,当uGS0V时，PN结反偏，耗尽层从上下两个方向向中间靠拢，沟道将变窄，沟道电阻加大。随着uGS越来越负，沟道越来越窄，直至上下合拢，发生夹断。,UGS继续减小，沟道继续变 窄，ID直至减小为0。当ID=0时 所对应的栅源电压UGS称为夹断 电压UGS(off)。,IDSS,UGS(off),第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,预加断,预加断,图4.5.3 漏源电压对沟道的控制作用,2. 漏源电压对沟道的控制作用,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)时，在紧靠漏极 处出现预夹断。当UDS继续增加，漏极处的预夹断区继续向 源极方向生长延长，直至漏极电流等于0。,在栅极加上电压，且UGSUGS(off)，若漏源电压UDS从 零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随之减小(反向电压增加)。 使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道从上至下呈楔形分布， 如图4.5.3所示。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线， 二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本 相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型 场效应管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负， 以使栅源间反偏，没有栅流。JFET的特性曲线如图 4.5.4(a)和图4.5.4(b)所示。,4.5.1.3 结型场效应管的特性曲线,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.5.4(a) N沟道结型场效应管的 漏极输出特性曲线,1. 漏极输出特性曲线,结型场效应管的漏极特性曲线是在栅源电压等于常数时，漏极电流与漏源电压之间的关系曲线。即,它分为三个区域：,1. 可变电阻区：在预夹断轨迹线的左侧，该区域随着uDS增加，iD基本线性增加；,2. 恒流区：在预夹断轨迹线的右侧，当uGD=UGS-UDS小于夹断电压时，是一组平行线；,3. 夹断区：导电沟道被夹断，iD0。,预夹断轨迹线,可变电阻区,恒 流 区,夹断区,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,图4.5.4(b) N沟道结型场效应管 的转移特性曲线,2. 转移特性曲线,结型场效应管的转移特性曲线是,因为场效应管无栅流，所以用转移特性曲线可以方便地将uGS与iD和UDS组合在一条特性曲线中。耗尽型管的漏极电流iD可用下式表示,IDSS,UGS(off),第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,场效应晶体管有两种结构形式： 1.绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)-增强型 耗尽型 2.结型场效应晶体管(JFET)-只有耗尽型,场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分。下面以N沟道增强型场效应晶体管为例来加以说明。,4.5.2 绝缘栅场效应晶体管,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,场效应管分类：,1. 结型场效应晶体管,N沟道耗尽型,2. 绝缘栅场效应晶体管,P沟道耗尽型,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。,然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。,扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）,从N型区引出金属电极，一个是漏极D，一个是源极S。,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。,1. N沟道增强型MOS管的结构,图4.5.5(a) N沟道增强型MOS管的结构,4.5.2.1 增强型绝缘栅场效应管,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,N沟道增强型MOS管的符号如上图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。,图4.5.5(b) N沟道增强型MOS管的符号,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,2. N沟道增强型MOS管的工作原理,分两个方面进行讨论： 一是栅源电压UGS对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响； 二是漏源电压UDS对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响。,栅源电压和漏源电压都对漏极电流有控制作用，其作用机理都是通过相关电压形成的电场对导电沟道进行控制，从而实现对漏极电流的控制。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS后并不断增加。,UGS带给栅极正电荷，将正 对SiO2层表面下衬底中的空穴推走，从而形成耗尽层，用绿色的区域表示。,在栅极下的表层感生一定的电子电荷，从而在漏源之间可形成导电沟道。,导电沟道,图 栅源电压的控制作用,UGS的变化会影响沟道，此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生，并受UGS的控制。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,UDS对沟道的影响。,在此导电回路中，沟道的电阻最大， UDS主要降落在沟道中，就会对沟道的形状产生影响。所以漏源电压UDS会对漏极电流ID产生控制作用。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,UGS(th),N沟道增强型场效应晶体管的uGS和iD的关系曲线还可以用下列数学表达式描述,式中IDO是 uGS=2 UGS(th) 时所对应的iD。,对于N沟道增强型场效应晶体管当uGS =0时，不能形成沟道， iD=0。必须uGS UGS(th)才会明显形成沟道，出现iD， UGS(th)称为开启电压。,可以用uGS对iD的转移特性曲线来描述删源电压对漏极电流的控制作用，见左下图。,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,4.5.2.2 N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感生出导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,图4.5.7 N沟道耗尽型管的结构和符号,(a) (b) (c),第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示,夹断电压,漏极饱和电流,当UGS=0时，对应的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，或用UP表示。,图4.5.7(c) 耗尽型管的特性转移特性,场效应晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三类：, 开启电压UGS(th) (或UT)-开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不导通。, 夹断电压UGS(off) (或UP)-夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。,1. 直流参数,4.5.3 场效应晶体管的参数和型号,4.5.3.1 场效应晶体管的参数,第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02,UGS(th),第4章 半导体二极管和晶体管 2010.02, 输入电阻RGS-场效应管的栅源之间的输入电阻，其典型值，对于结型场效应管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘 栅型场效应管, RGS约是1091015。, 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。,漏极饱和电流,第4章 半导体二极管和晶体管