《结型场效应晶体管》PPT课件.ppt

第七 章 结型场效应晶体管讨论主题：n1.场效应晶体管介绍n2.JFET工作原理n3.JFET的直流特性n4.绝缘栅场效应晶体管1.场效应晶体管介绍n什么是场效应管? 场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写(FET)】简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.DS电流电场1965年，按照摩尔老先生在文章中提出，芯片上集成的晶体管数量大约每18个月就将翻一番 1971年，Intel发布了第一个微处理器40044004采用10微米工艺生产，仅包含2300多个晶体管，时钟频率为108KHz 1974年，主频为2MHz的8位微处理器8080问世，它采用6微米工艺，集成了6000个晶体管由于它采用了NMOS（N沟道MOS）电路，因此运算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P沟道MOS）电路之后，在1978年Intel又陆续推出了8086处理器，这时工艺已经缩减为3微米工艺，含2.9万个晶体管，频率有4.77MHz、8MHz和10MHz 到了1983年，Intel首次推出了新型处理器286，它含有13.4万个晶体管，频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

随后1985年，推出了386处理器，含27.5万个晶体管，频率为16～33MHz，具备初级多任务处理能力）等处理器1989年，Intel发布了486处理器这款经过4年开发和3亿美金投入的处理器首次突破了100万个晶体管大关，主频也从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz，此时，处理器工艺已经全面采用了1微米工艺，并且在芯片内集成了125万个晶体管，这时芯片内的晶体管数量已经超过了Intel 4004处理器内晶体管数量的五百倍直到1993年，采用800纳米的奔腾（Pentium）的出世，让CPU全面从微米时代跨入了纳米时代奔腾含有310万个晶体管，代表型号有Pentium 60（60MHz）和Pentium 66（66MHz）此后，Intel又推出了奔腾75MHz～120MHz，制造工艺则提高到500纳米，此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺时代Pentium MMX, Intel于1996年发明在0.35微米工艺的帮助下，工作频率突破了200MHz0.35um0.25um0.18um1997-2002（.35&.25&.18时代）0.13um2002年0.045um2008年0.09um双极型晶体管和场效应晶体管的异同： 对比双极和FET: 速度,功耗,应用,工艺水平,控制方式(电压/电流).场效应管的分类:n场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类n按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.n按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。

2.JFET基本原理SDG理想对称结构结型场效应晶体管理想对称结构结型场效应晶体管JFETJ: junctionF: fieldE: effectT: transistorMetalP+-SiN-SiN+-SiSDN沟道沟道JFET正常状态下的偏置方式正常状态下的偏置方式 P+ N P+GIDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSatIDS/mAVGS/VVPIDSS转移特性与输出转移特性与输出特性密切相关特性密切相关N管：管：VP<0P管：管：VP>0当当VGS=VP沟道被夹断沟道被夹断0.7VGS=0 VDS很小很小SD P+ N P+GS P+ N P+GPVGS=0 VDS=VDSatDVGS=0 VDS>VDSatSD P+ N P+GP3.直流特性1. PN节空间电荷区宽度和电压关系2.开始导通和饱和的原理定义夹断电压: 在源漏电压为0时,使沟道完全闭合的电压n导通栅源阈值电压:n饱和漏源电压:饱和区工作条件:非饱和区工作条件:n非饱和区电流公式：其中其中是两个冶金结间形成沟道之是两个冶金结间形成沟道之电导电导VD是结接触电势差是结接触电势差n饱和电流公式：其中其中是最大饱和漏极电流是最大饱和漏极电流是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结耗尽层穿通整个沟道所需的栅源电位差耗尽层穿通整个沟道所需的栅源电位差n最大饱和电流：跨导定义跨导定义：非饱和区跨导非饱和区跨导：饱和区跨导饱和区跨导：最大饱和区跨导最大饱和区跨导：最小沟道电阻最小沟道电阻Rmin从输出特性看几个参数IDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSat = 7vVGS=-1VGS=-2VGS=-3总结n对比双极晶体管和场效应晶体管n理解理解JFET的工作原理n掌握掌握JFET工作在不同区域的条件，以及夹断电压的定义n了解了解JFET的电流公式，饱和电流公式，最大饱和电流公式，最大跨导公式（电阻），以及影响它们的条件　　4 4、绝缘栅型场效应晶体管、绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理n场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。

其英文名称为：化的电压控制电流的放大器件其英文名称为：Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorTransistor，缩写为，缩写为MOSFET MOSFET n场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底结构图结构图 它是以它是以——块掺杂浓度较低的块掺杂浓度较低的P P型硅半导体作为衬底、利型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N N+ +型区，同时在型区，同时在P P型型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层并用硅表面生成一层二氧化硅绝缘层并用 金属导线引出三个金属导线引出三个电极，分别作为源极电极，分别作为源极(S)(S)、、漏极漏极(D)(D)和和栅极（栅极（G G）。

S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理n基本上不需要信号源提供电流基本上不需要信号源提供电流n输入阻抗很高（可达输入阻抗很高（可达10109 9—10—101515Ω））n受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；简单、便于集成化等；n只有多数载流子参与导电，所以又称其为单只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管极性晶体管　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理场效应管的分类场效应管的分类n按封装形式分：塑料封装和金属封装按封装形式分：塑料封装和金属封装n按功率大小分：小功率、中功率和大功率按功率大小分：小功率、中功率和大功率n按频率特性分：低频管、中频管和高频管按频率特性分：低频管、中频管和高频管n按结构特点分：结型（按结构特点分：结型（JFETJFET）和绝缘栅型）和绝缘栅型（（IGFETIGFET））n按导电沟道的不同还可分为：按导电沟道的不同还可分为：N N沟道和沟道和P P沟道，而绝沟道，而绝缘栅型又可细分为缘栅型又可细分为N N沟道增强型和耗尽型，沟道增强型和耗尽型，P P沟道增沟道增强型和耗尽型两种。

强型和耗尽型两种　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管结构及符号 它是以—块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层并用 金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底 结构图结构图S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理n绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小N N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理1.UGS=01.UGS=0时，没有导电沟道时，没有导电沟道　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源短路当栅源短路( (即栅源电压即栅源电压U UGSGS=0=0时，源区时，源区(N(N+ +型型) )、、衬底衬底(P(P型型) )和漏区和漏区(N(N+ +型型) )形成两个背靠背约形成两个背靠背约PNPN结，结，不管不管E ED D的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PNPN结是反偏。

结是反偏如果源极如果源极S S与衬底相连接地，漏极接电源的正极，与衬底相连接地，漏极接电源的正极，那么漏极与衬底之间的那么漏极与衬底之间的PNPN结果也是反偏的，所以结果也是反偏的，所以漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流I ID D=0=0( (相当于漏源之间的电阻很大相当于漏源之间的电阻很大) )　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源之间加反向电压当栅源之间加反向电压( (栅极接正极，源极接负极栅极接正极，源极接负极) )，则栅极，则栅极( (铝层铝层) )和和P P型硅型硅片相当于以二氧化硅为介片相当于以二氧化硅为介质的平行板电容器，在栅质的平行板电容器，在栅源电压作用下，产生一个源电压作用下，产生一个垂直于半导体表面的由栅垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场极指向衬底的电场2.U2.UGSGS>U>UGSGS（（thth））时，出现时，出现N N沟道沟道　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 当栅源电压当栅源电压U UGSGS达到一定数值达到一定数值时。

这些电子在栅极附近的时这些电子在栅极附近的P P型硅型硅片表面形成一个片表面形成一个N N型薄层，将漏极型薄层，将漏极和源极沟通，称为和源极沟通，称为N N沟道由于此沟道由于此沟道是由栅源电压感应产生的，所沟道是由栅源电压感应产生的，所以又称为感生沟通，如图所示另以又称为感生沟通，如图所示另一方面，由于它与一方面，由于它与P P型衬底型别相型衬底型别相反，所以，又称它为反型层显然反，所以，又称它为反型层显然，栅源电压愈强，感生沟道（反型，栅源电压愈强，感生沟道（反型层）愈厚，沟道电阻愈小这种在层）愈厚，沟道电阻愈小这种在U UGSGS=0=0时没有导电沟道，而必须依时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压才能形成感生沟道的场靠栅源电压才能形成感生沟道的场效应管，称为增强型绝缘栅场效应效应管，称为增强型绝缘栅场效应管　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 一旦出现了感生沟道，一旦出现了感生沟道，原来被原来被P P型衬底隔开的两型衬底隔开的两个个N N+ +型区型区( (源极和漏极源极和漏极) )，，就被感生沟道连在一起了就被感生沟道连在一起了因此，在漏源电压的作用因此，在漏源电压的作用下，将有漏极电流下，将有漏极电流I ID D产生。

产生一般把在漏源电压作用下一般把在漏源电压作用下开始导电的栅源电压，叫开始导电的栅源电压，叫开启电压开启电压U UGSGS（（thth））　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -结构工作原理结构工作原理 增强型场效应管只有在只有在增强型场效应管只有在只有在U UGSGS＞＞ U UGSGS（（thth））时，调节时，调节U UGSGS，，改变导电沟道的厚度，从而在相改变导电沟道的厚度，从而在相同的同的U UDSDS 作用下，有效的控制漏极电流作用下，有效的控制漏极电流I ID D的大小工作原理总结工作原理总结　　绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管- -特性曲线特性曲线 转移特性转移特性 N N沟沟道道增增强强型型MOSFETMOSFET的的转转移移特特性性如如图图所示其主要特点为：所示其主要特点为： (1)(1)当当u uGSGS< >U UGSthGSth时时，， i iD D >0>0，，u uGSGS越越大大，， i iD D也也随随之之增增大大，，二二者者符符合合平平方方律律关关系系，，如下式所示。