模电幻灯片3、4、5章合集

1、晶体管在放大区, 由于发射结正偏, 输入电阻较小, 不适于要求高输入阻抗的情况 , 且受温度影响较大(少子作用) 场效应管(Field Effect Transistor)利用电场效应来控制电流, 以半导体中的多子来实现导电 特点: 控制端基本上不需要电流(输入阻抗高), 且受温度, 幅射等外界条件影响小, 便于集成,1.4 场效应管,1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管 1.4.3 场效应管的主要参数 1.4.4 场效应管与晶体管的比较,1.4 场效应管,结型场效应管的实际结构,在N型半导体上制作两个高掺杂的P区, 并将它们连在一起,1.4.1 结型场效应管,P区引出的电极称为栅极g N型半导体两端引出的电极分别称为漏极d和源极s 漏极和源极间的非耗尽层区域称为导电沟道,结构示意图,场效应管由多子来实现导电,1. 工作原理,正常工作条件,漏-源电压uDS 0 , 保证电子定向移动形成漏电流 栅-源电压uGS 0 , 通过控制耗尽层宽度,达到控制沟道电流的目的,PN结无载流子, 不导电, 属于高阻区 当漏-源电压uDS 一定时, 漏电流:,uDS 足够大时, uGS

2、可以控制漏电流,实质: 利用反向偏置的PN结调节沟道电阻, 从而控制漏极电流,1. 工作原理,漏-源电压uDS 与栅-源电压uGS 对漏电流的影响:,a. uDS = 0时, uGS 对导电沟道的的控制作用,| uGS | ,耗尽层增加,耗尽层闭合,沟道电阻无穷大, 此时电压称为夹断电压UGS(off),uGS=0,uGS uGS(off),uGS(off) uGS 0,b. uGS (uGS(off), 0), uDS 对漏电流 iD 的影响,uDS,iD , 漏,源极间出现电势差,uGD uGS(off),uGD = uGS(off),uGD uGS(off),耗尽层从源极到漏极逐渐加宽,uGD = uGS(off)时, 出现预夹断,uDS , 夹断区增加, iD为恒流,与uGS唯一对应,夹断区并不是完全将沟道夹断, 而是允许电子窄缝中高速流过,c. uGD uGS(off) , uGS 与漏电流 iD 的关系,uGD uGS(off),输出回路中的漏极电流由输入回路中的栅-源电压控制, 因此称场效应管为电压控制元件,uDS满足上式时, uGS与iD唯一对应.这意味着改变uGS可以

3、控制iD,当g-d 间未出现夹断时(uGD UGS(off),对应于不同 uGS , d-s间等效成不同阻值电阻,总结:,当uGD = UGS(off) 时 , d-s间预夹断,当g-d 间出现夹断时(uGD UGS(off), iD可近似看成是uGS控制的电流源,2. 结型场效应管的特性曲线,输出特性曲线: 栅-源电压UGS一定时, 漏极电流 iD 与漏-源电压uDS 间的函数关系,转移特性曲线: 漏-源电压UDS一定时, 漏极电流 iD 与栅-源电压uGS 间的函数关系,类似于晶体管,结型场效应管的极间电压和各电极电流之间的关系通常由输出和转移两组特性曲线来表示,可变电阻区(非饱和区): iD 与 uDS近似线性增长, 增加的比值由 uGS 控制 恒流区(饱和区): 管子预夹断后. iD近似为uGS控制的电流源 夹断区: iD 0 击穿区: uDS过大, 管子被击穿,与输出曲线有严格的对应关系 工作在可变电阻区时, 不同的uDS所对应的曲线差别很大 工作在恒流区时, 不同uDS所对应的转移特性曲线基本重合,(IDSS 饱和漏极电流),工作原理相同,不同之处是:P沟道的多子是空穴 与

4、N沟道相比, P沟道的对应的电压(电流)极性正好相反.,3. P沟道与N沟道结型场效应管的区别,N(P)沟道的特性曲线如下图所示(关于原点对称),在某些工作条件下,结型场效应管栅-源间的电阻(107)仍嫌不够高, 且高温下阻值会显著下降. 另外, 将它高度集成化还比较复杂. 而绝缘栅型场效应管可较好解决这些问题.,IGFET 的栅极与源极(漏极)间用SiO2绝缘, 由于栅极为金属铝, 又被称为MOS管 (Metal-Oxide-semiconductor),1.4.2 绝缘栅型场效应管(Insulated Gate FET),1. N沟道增强型MOS场效应管,a. 结构,在低掺杂的P型硅片上加入两个高掺杂的N区作为分别作为源极与漏极. 半导体表面覆盖SiO2绝缘层,并在上面再制造一层金属铝做为栅极.,1. N沟道增强型MOS场效应管,b. 工作原理 (uDS = 0, uGS =0 ),uGS = 0时, 漏极与源极间不存在导电沟道 uGS , 由于绝缘层,金属栅极被充电而聚集正电荷, 正电荷排斥P区的空穴向下运动, N间出现负离子区, 形成耗尽层,b. 工作原理 (uDS = 0,

5、uGS =0 ),uGS , 衬底的电子被吸引, 在耗尽层与绝缘层间形成N形薄层, (反型层), 即导电沟道. 此时的uGS称为开启电压UGS(th) uGS , 反型层增加, 而耗尽层不再变化,可用uGS大小控制导电沟道的宽度,当uGS大于开启电压UGS(th) 后, MOS管的表现与JFET相同,uGS为大于UGS(th) 的某一值时 uDS对iD的影响,当uGD =(uGS - uDS )= UGS(th) 时 , d-s间预夹断. 当g-d 间夹断 (uGD UGS(th)时, iD为uGS控制的电流源,与JFET区别: JFET是夹断电压UGS(off), 而MOS管开启电压UGS(th),N沟道增强型MOS管的特性曲线,电流方程,IDO是2UGS(th)时,对应的漏电流,P沟道增强型的特性曲线(与N沟道关于原点对称),制造过程中, 在SiO2绝 缘层中事先掺入大量正离子 uGS =0时, 正离子导致反型层的出现. 漏-源间存在导电沟道 uGS可正可负. uGS 0时, 反型层加宽, uGS 0时, 反型层变窄, 反型层消失时的电压为夹断电压UGS(off),与N沟道增强型M

6、OS管的曲线相似 P沟道耗尽型曲线关于原点对称 (P49),N沟道耗尽型MOS管的特性曲线,增强型: 栅-源电压uGS = 0 时, 漏-源间没有导电沟道 耗尽型: 栅-源电压uGS = 0 时, 漏-源间存在导电沟道,IGFET与JFET的导电机理区别: (导电沟道成因不同) 结型利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄 绝缘栅型利用半导体表面感应电荷改变导电沟道,小结,场效应管特性曲线的判别 (P49),N沟道与P沟道的判别,N沟道输出曲线在第一象限, 转移曲线在一,二象限 P沟道输出曲线在第三象限,转移曲线在三, 四象限,结型-MOS型与增强型-耗尽型的判别,结型: UGS= 0曲线位于边缘. 夹断电压UGS(off) 增强型MOS管: 不存在UGS= 0曲线. 开启电压UGS(th) 耗尽型MOS管: UGS= 0曲线位于中间. 夹断电压UGS(off),输出特性中, 电压UGS=0所对应曲线的位置,特性曲线所在的象限,利用夹断(开启)电压进行校验,例1.4.1 根据输出特性曲线分析管子的类型 (P51),根据曲线所处的象限判断沟道类型 根据UGS= 0曲线的位置判断管类型 利用夹断(

7、开启)电压进行校验,N沟道增强型MOS管,1. 直流参数,2. 交流参数,1.4.3 场效应管的主要参数,3. 极限参数,1.4.3 场效应管的主要参数,uGS UGS(th) 且 uGD UGS(th) 且 uGD UGS(th)时, 漏电流iD处于可变电阻区,求输入 uI (uGS) 与漏电流iD的关系,uGS = 0V , 小于 UGS(th) = 4V , iD = 0. uO= VDD,uGS = 8V , 大于 UGS(th) = 4V , 假设 iD 处于恒流区, 得到,验证uGD UGS(th) 是否成立, 假设成立, uO =10V,d,g,s,uGS = 10V时 , 大于 UGS(th) = 4V , 假设 iD 处于恒流区, 得到,验证uGD UGS(th) 是否成立, 假设不成立, iD 处于可变电阻区,漏-源间的等效电阻为Rds为,d,g,s,1.4.4 与晶体管的区别,半导体的基础知识:,载流子的产生与两种基本运动形式,器件的工作原理, 特性曲线和主要参数,二极管 (Diode) 晶体三极管 (Bipolar Junction Transistor) 场效应管 ( Field Effect Transistor),本章总结,载流子的运动形式,二极管在正向偏置时以扩散运动为主, 反向偏置时以漂移运动为主, 体现出单向导电性 晶体管是在对载流子的运动进行导引的基础上加以控制, 利用基区中非平衡少子的扩散与复合来体现UBE(IB)对IC的控制作用 场效应管利用外加电压产生的电场作用改变导电沟道的宽窄来控制多子的漂移运动,扩散运动 漂移运动,

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