电路基础与集成电子技术-45场效应半导体晶体管.ppt

4.5 场效应半导体晶体管场效应半导体晶体管4.5.2 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管4.5.1 结型场效应晶体管结型场效应晶体管4.5.3 场效应晶体管的参数和型号场效应晶体管的参数和型号第第4章章 半导体二极管和晶体管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，它由两个件，它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源结组合而成，是一种电流控制电流源器件（器件（CCCS）） 晶体管英文称为晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或，在中文中称为晶体管或半导体晶体管晶体管有两大类型半导体晶体管晶体管有两大类型: 一是一是双极型双极型晶体管晶体管(BJT)，， 二是二是场效应场效应晶体管晶体管(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（电压控制电流源器件（VCCS））。

第第4章章 半导体二极管和晶体管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结型场效应晶体管的结构 JFET的结构如图的结构如图4.5.1所示，它是在所示，它是在N型半导体硅片的型半导体硅片的两侧各制造一个两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道区型沟道区图图4.5.1 结型场效应管的结构结型场效应管的结构PN结域的结构两个域的结构两个P区连在一起区连在一起即为栅极即为栅极G，，N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极D，另一端是源极，另一端是源极S 根据结型场效应管的结构，根据结型场效应管的结构，只能工作只能工作在反偏条件下，才没在反偏条件下，才没有栅流现以有栅流现以N沟道为例说明沟道为例说明其工作其工作原理N沟道 右上角出现的是符号右上角出现的是符号4.5.1 结型场效应晶体管结型场效应晶体管第第4章章 半导体二极管和晶体管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受栅源电压UGS和漏源电压和漏源电压UDS的双重控制。

的双重控制图图01.04.02 栅源电压的控制作用栅源电压的控制作用 在漏、源之间加有一固定在漏、源之间加有一固定电压时，在漏、源间的电压时，在漏、源间的N型沟型沟道中将产生漏极电流道中将产生漏极电流 当当UGS继续减小时，继续减小时，N沟沟道将变窄，道将变窄，ID将减小，直至为将减小，直至为零 第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 当当UGS=0，加有一定，加有一定UDS时，时，形成的漏极电流称为形成的漏极电流称为漏极饱和漏极饱和电流电流IDSS当UGS＜＜0时，时，PN结结反偏，反偏，ID将减小 当当uGS＜＜0V时，时，PN结反偏，耗尽层从上下两个方向向中结反偏，耗尽层从上下两个方向向中间靠拢，沟道将变窄，沟道电阻加大随着间靠拢，沟道将变窄，沟道电阻加大随着uGS越来越负，沟越来越负，沟道越来越窄，直至上下合拢，发生夹断。

道越来越窄，直至上下合拢，发生夹断 UGS继续减小，沟道继续变继续减小，沟道继续变窄，窄，ID直至减小为直至减小为0当ID=0时时所对应的栅源电压所对应的栅源电压UGS称为称为夹断夹断电压电压UGS(off)IDSSUGS(off)第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02预加断预加断预加断预加断 图图4.5.3 漏源电压对沟道的控制作用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漏源电压对沟道的控制作用第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 当当UDS增加到使增加到使UGD=UGS- -UDS=UGS(off)时，在紧靠漏极时，在紧靠漏极处出现处出现预夹断预夹断。

当当UDS继续增加，漏极处的预夹断区继续向继续增加，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，且在栅极加上电压，且UGS＞＞UGS(off)，，若漏源电压若漏源电压UDS从从零开始增加，则零开始增加，则UGD=UGS- -UDS将随之减小将随之减小(反向电压增加反向电压增加)使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道从上至下呈楔形分布，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道从上至下呈楔形分布，如图如图4.5.3所示第第4章章 半导体二极管和晶体管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，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二是输出特性曲线它与MOSFET的特性曲线基本的特性曲线基本相同，只不过相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型的栅压可正、可负，而结型场效应管的栅压只能是场效应管的栅压只能是P沟道的为正或沟道的为正或N沟道的为负，沟道的为负，以使栅源间反偏，没有栅流。

以使栅源间反偏，没有栅流JFET的特性曲线如图的特性曲线如图4.5.4(a)和图和图4.5.4(b)所示4.5.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 图图4.5.4(a) N沟道结型场效应管的沟道结型场效应管的 漏极输出特性漏极输出特性曲线曲线1. 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 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：它分为三个区域： 1. 可变电阻区可变电阻区：在预夹断轨：在预夹断轨迹线的左侧，该区域随着迹线的左侧，该区域随着uDS增加，增加，iD基本线性增加；基本线性增加； 2. 恒流区恒流区：在预夹断轨迹线：在预夹断轨迹线的右侧，当的右侧，当uGD=UGS-UDS小于小于夹断电压时，是一组平行线；夹断电压时，是一组平行线； 3. 夹断区夹断区：导电沟道被夹断，：导电沟道被夹断，iD 0。

预夹断轨迹线预夹断轨迹线可可变变电电阻阻区区恒恒 流流 区区夹断区夹断区第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02图图4.5.4(b) N沟道结型场效应管沟道结型场效应管的的转移转移特性曲线特性曲线2. 转移转移特性曲线特性曲线 结型场效应管的转移特性曲线是结型场效应管的转移特性曲线是 因为场效应管无栅流，所因为场效应管无栅流，所以用转移特性曲线可以方便地以用转移特性曲线可以方便地将将uGS与与iD和和UDS组合在一条特组合在一条特性曲线中耗尽型管的漏极电性曲线中耗尽型管的漏极电流流iD可用下式表示可用下式表示IDSSUGS(off)第第4章章 半导体二极管和晶体管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：场效应晶体管有两种结构形式： 1.绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)----增强型增强型 耗尽型耗尽型 2.结型场效应晶体管结型场效应晶体管(JFET)------只有耗尽型只有耗尽型 场场效效应应晶晶体体管管在在集集成成电电路路中中被被广广泛泛使使用用，，绝绝缘缘栅栅场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)分分为为增增强强型型和和耗耗尽尽型型两两大大类类，，每每类类中中又又有有N沟沟道道和和P沟沟道道之之分分。

下下面面以以N沟沟道道增增强强型型场场效效应应晶晶体体管管为为例例来来加加以以说明4.5.2 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 场效应管场效应管分类：分类： 1. 结型场效应晶体管结型场效应晶体管N沟道耗尽型沟道耗尽型 2. 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管P沟道耗尽型沟道耗尽型 增强型增强型 耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 取一块取一块P型半导体作为衬型半导体作为衬底，用底，用B表示 用氧化工艺生成一层用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。

薄膜绝缘层 然后用光刻工艺腐蚀出两个然后用光刻工艺腐蚀出两个孔 扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区从而形成两个而形成两个PN结绿色部分）结绿色部分） 从从N型区引出金属电极，一个型区引出金属电极，一个是漏极是漏极D，，一个是源极一个是源极S 在源极和漏极之间的绝缘层在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极上镀一层金属铝作为栅极G 1. N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构管的结构图图4.5.5(a) N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构管的结构4.5.2.1 增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 N沟道增强型沟道增强型MOS管的符号如上图所示左面的一个衬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。

在外部连接图图4.5.5(b) N沟道增强型沟道增强型MOS管的符号管的符号第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 2. N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作原理管的工作原理 分两个方面进行讨论：分两个方面进行讨论： 一是栅源电压一是栅源电压UGS对沟道产生地影响，从而对漏极电流对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响；产生影响； 二是漏源电压二是漏源电压UDS对沟道产生地影响，从而对漏极电流对沟道产生地影响，从而对漏极电流ID产生影响产生影响 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而实现对漏极电流的控制 第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 令漏源电压令漏源电压UDS=0，，加入栅源电压加入栅源电压UGS后并不断增加。

后并不断增加 UGS带给栅极正电荷，将正带给栅极正电荷，将正对对SiO2层表面下衬底中的空穴推层表面下衬底中的空穴推走，从而形成耗尽层，用绿色的走，从而形成耗尽层，用绿色的区域表示区域表示 在栅极下的表层感生一定的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电子电荷，从而在漏源之间可形成导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道图图 栅源电压的控制作用栅源电压的控制作用 UGS的变化会影响沟道，此时的变化会影响沟道，此时若加上若加上UDS ，，就会有漏极电流就会有漏极电流ID产生，并受产生，并受UGS的控制第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 UDS对沟道的影响对沟道的影响 在此导电回路中，沟道的电阻最大，在此导电回路中，沟道的电阻最大， UDS主要降落主要降落在沟道中，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会对漏极电流会对漏极电流ID产生控制作用产生控制作用第第4章章 半导体二极管和晶体管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沟道增强型场效应晶体管的的uGS和和iD的关系曲线还可以用下的关系曲线还可以用下列数学表达式描述列数学表达式描述式中式中IDO是是 uGS=2 UGS(th) 时所对应时所对应的的iD 对于对于N沟道增强型场效应晶体管当沟道增强型场效应晶体管当uGS =0时，不能形成时，不能形成沟道，沟道， iD=0必须uGS≥ ≥ UGS(th)才会明显形成沟道，出现才会明显形成沟道，出现iD，， UGS(th)称为开启电压称为开启电压 可以用可以用uGS对对iD的转移特性曲线来描述删源电压对漏极电的转移特性曲线来描述删源电压对漏极电流的控制作用，见左下图流的控制作用，见左下图。

第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.024.5.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺绝缘层中掺入了一定量的正离子所以当入了一定量的正离子所以当UGS=0时，这些正离子已经感时，这些正离子已经感生出导电沟道于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在生出导电沟道于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在图图4.5.7 N沟道耗尽型管的结构和符号沟道耗尽型管的结构和符号(a) (b) (c)第第4章章 半导体二极管和晶体管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夹断电压漏极饱和电流漏极饱和电流 当当UGS=0时，对应的漏极时，对应的漏极电流称为漏极饱和电流，用电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。

当表示当UGS＜＜0时，随着时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，的减小漏极电流逐渐减小，直至直至ID=0对应对应ID=0的的UGS称称为为夹断电压夹断电压，用符号，用符号UGS(off)表表示，或用示，或用UP表示图图4.5.7(c) 耗尽型管的特性转移特性耗尽型管的特性转移特性第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 场效应晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限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：参数三类：①① 开启电压开启电压UGS(th) (或或UT)----开启电压是增强型开启电压是增强型MOS管的管的参数，栅源电压小于开启电参数，栅源电压小于开启电压的绝对值压的绝对值, 场效应管不导通场效应管不导通 ②② 夹断电压夹断电压UGS(off) (或或UP)----夹夹断电压是耗尽型场效应管的参数，断电压是耗尽型场效应管的参数，当当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。

时，漏极电流为零1. 1. 直流参数直流参数4.5.3 场效应晶体管的参数和型号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场效应晶体管的参数第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02UGS(th)夹断电压 ④④ 输入电阻输入电阻RGS----场效应管的栅源之间的输入电阻，其典场效应管的栅源之间的输入电阻，其典型值型值，，对于结型场效应管，反偏时对于结型场效应管，反偏时RGS约大于约大于107Ω，，对于绝缘对于绝缘栅型场效应管栅型场效应管, RGS约是约是109～～1015Ω ③③ 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS----耗尽型场效应管耗尽型场效应管, 当当UGS=0时所对时所对应的漏极电流应的漏极电流漏极饱和电流漏极饱和电流第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 ⑤⑤ 低频跨导低频跨导gm ----低频跨导反映了栅压对漏极电流的控低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。

制作用，这一点与电子管的控制作用相似gm可以在转可以在转 移特移特性曲线上求取，单位是性曲线上求取，单位是mS(毫西门子毫西门子) ⑥⑥ 极间电容极间电容----场效应晶体管的三个电极之间存在电容场效应晶体管的三个电极之间存在电容一般一般Cgs和和Cgd约为约为1~3pF，， Cds约为约为0.1~1pF2. 2. 交流参数交流参数第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.023. 3. 极限流参数极限流参数 ⑦⑦ 最大漏极电流最大漏极电流IDM----场效应管正常工作时的漏极电流场效应管正常工作时的漏极电流的上限值的上限值 ⑧⑧ 击穿电压击穿电压U(BR)GS----结型结型场效应管栅源之间所加的反向场效应管栅源之间所加的反向电压电压使使PN结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值层击穿的电压值 ⑩⑩最大漏极功耗最大漏极功耗PDM----最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，与双极型晶体管的决定，与双极型晶体管的PCM相当。

相当 ⑨⑨ 击穿电压击穿电压U(BR)DS----场效应管进入恒流区，场效应管进入恒流区， uds的增加的增加使使 iD骤然增加的漏源电压值骤然增加的漏源电压值第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 场效应晶体管的型号场效应晶体管的型号, 现行有两种命名方法其一是与现行有两种命名方法其一是与双极型晶体管相同，第三位字母双极型晶体管相同，第三位字母J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O代表代表绝缘栅场效应管第二位字母代表材料绝缘栅场效应管第二位字母代表材料 例如，例如，3DJ6D是结型是结型N沟道场效应晶体管，沟道场效应晶体管，3DO6C是绝缘是绝缘栅型栅型N沟道场效应晶体管沟道场效应晶体管 第二种命名方法是第二种命名方法是CS××#，，CS代表场效应管，代表场效应管，××以数字以数字代表型号的序号，代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。

例如用字母代表同一型号中的不同规格例如CS14A、、CS45G等4.5.3.2 4.5.3.2 场效应晶体管的型号场效应晶体管的型号第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02几种常用的场效应晶体管的主要参数几种常用的场效应晶体管的主要参数 表 场效应晶体管的参数第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02 N沟道增强沟道增强型型MOS管，管，衬底箭头向里衬底箭头向里漏、衬底和源漏、衬底和源断开，表示零断开，表示零栅压时沟道不栅压时沟道不通 表示衬表示衬底在内部底在内部没有与源没有与源极连接 N沟道耗尽沟道耗尽型型MOS管漏、衬底和源漏、衬底和源不断开表示零不断开表示零栅压时沟道已栅压时沟道已经连通。

经连通 N沟道结沟道结型型MOS管管没有绝缘没有绝缘层层 只有耗尽型，耗尽型，没有增强没有增强型如果是如果是P沟道，箭头则向外沟道，箭头则向外场效应晶体管的符号场效应晶体管的符号第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02N沟道增强型MOSFET类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 P沟道增强型MOSFET场效应晶体管特性曲线的比较场效应晶体管特性曲线的比较第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02N沟道耗尽型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02N沟道 JFET 类型类型 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 P沟道 JFET 第第4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2010.02。