半導(dǎo)體器件場(chǎng)效應(yīng)管課件

1、1.4 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和原理4.工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。1. 晶體管是電流控制元件；場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件。2. 晶體管參與導(dǎo)電的是電子空穴，因此稱其為雙極型器件； 場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子， 因此稱其為單極型器件。3. 晶體管的輸入電阻較低，一般102104； 場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻高，可達(dá)1091014場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的區(qū)別場(chǎng)效應(yīng)管分類：MOSFET(IGFET)JFETFETDSGN符號(hào)1.4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Junction Field Effect Transistor結(jié)構(gòu)圖 1.4.1N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏

2、極P+P+P 型區(qū)耗盡層(PN 結(jié))導(dǎo)電溝道是 N 型的，稱 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。分類：N溝道和P溝道在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD符號(hào)GDS P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在 P 型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的 N 型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為 P 型，多數(shù)載流子為空穴。一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變 UGS 大小來(lái)控制漏極電流 ID 的。(VCCS)GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層 *耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。1. 當(dāng)UDS = 0 時(shí)， uGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用I

3、D = 0GDSN型溝道P+P+ (a) UGS = 0UGS = 0 時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS 由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng) UGS = UGS（Off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷.ID = 0GDSP+P+N型溝道(b) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 較大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ，iD 更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：當(dāng) uDS 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)uGD uGS uDS GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), ,溝道變窄

4、預(yù)夾斷uGS 0 ,uGD uGS(off),夾斷，iD幾乎不變GDSiSiDP+VDDVGGP+P+(1) 改變 uGS ，改變了 PN 結(jié)中電場(chǎng)，控制了 iD ，故稱場(chǎng)效應(yīng)管； (2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極 基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)(動(dòng)畫）3.當(dāng)uGD uGS(off) 時(shí)（預(yù)夾斷之后）， uGS 對(duì)漏極電流iD的控制作用場(chǎng)效應(yīng)管用低頻跨導(dǎo)gm的大小描述柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制元件(VCCS)。在uGD uGS uDS uGS(off)情況下, 即當(dāng)uDS uGS -uGS(off) )(即gd間未出現(xiàn)

5、夾斷)時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的uGS ，d-s間等效成不同阻值的電阻，iDuDS 。 (2)當(dāng)uDS使uGD uGS(off)時(shí)，d-s之間預(yù)夾斷。 (3)當(dāng)uDS使uGD uGS-UGS（OFF）產(chǎn)生預(yù)夾斷后（指|uGD|UGS（OFF）|）的區(qū)域。 圖中預(yù)夾斷線的右邊區(qū)域?yàn)楹懔鲄^(qū)。該區(qū)域內(nèi)各曲線近似為一組橫軸的平行線。 固定uGS，uDS由夾斷點(diǎn)開始增加，夾斷區(qū)增加，溝道電阻增加。iD基本不變。iD與uDS無(wú)關(guān)，具有恒流特性,這個(gè)區(qū)域也被稱為恒流區(qū)。，iD基本不變。iD與uDS無(wú)關(guān)， 恒流區(qū)特點(diǎn)：從圖1.4.5輸出特性上看： 恒流區(qū)相當(dāng)于三極管的放大區(qū)，JFET放大器工作在恒流區(qū)。圖1.4.5 場(chǎng)

6、效應(yīng)管的輸出特性不論uDS多大，只要uGS變化，iD就變，uGS控制iD，iD與UDS無(wú)關(guān)，因而可將iD近似為電壓uGS控制的電流源。 iD與uDS無(wú)關(guān)，受誰(shuí)控制呢？iD受uGS控制 。 夾斷區(qū) 當(dāng)uGS UGS（th）工作； 耗盡型： 均能工作。增強(qiáng)型:耗盡型：絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)一、N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)P 型襯底N+N+BGSDSiO2源極 S漏極 D襯底引線 B柵極 G圖1.4.7N 溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖SGDBMOSFET結(jié)構(gòu)（動(dòng)畫）一、N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管1. 工作原理 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用uGS 來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)

7、電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 iD。2.工作原理分析(1)uGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN 結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBDP 型襯底N+N+BGSD(2) uDS = 0，0 uGS UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流 iD 。b. uDS= uGS UT， uGD = UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c. uDS uGS UT， uGD UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，uDS 逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變， iD因而基本不變。a. uDS UTP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVD

8、DP 型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖 1.4.9uDS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a) uGD UT(b) uGD = UT(c) uGD uGS UT時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的uGS就有一個(gè)確定的iD 。此時(shí)， 可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。Mos增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管工作原理（動(dòng)畫）3. 特性曲線與電流方程(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性u(píng)GS UT 時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、夾斷區(qū)。UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO圖 1.4.10 (a)圖 1.4.10

9、 (b)iD/mAuDS /VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū) 可變電阻區(qū)夾斷區(qū)。UGS增加二、N 溝道耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD+制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在 P 型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使 uGS = 0 也會(huì)形成 N 型導(dǎo)電溝道。+uGS = 0，uDS 0，產(chǎn)生較大的漏極電流；uGS 0；UGS 正、負(fù)、零均可。iD/mAuGS /VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS耗盡型 MOS 管的符號(hào)SGDB(b)輸出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520N 溝道耗盡型MOSFETMOS管的特性1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開啟電壓夾斷電壓（N溝道）三、P溝道MOS管1.P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓UGS(th) 0當(dāng)UGS 0, VDD0, VCC0,PNP：UBE0用FET做的集成電路芯片集成度高一個(gè)芯片可放25萬(wàn)個(gè)件用T做的集成電路芯片集成度低一個(gè)芯片可放1萬(wàn)左右個(gè)件電壓控制uGSiD;低頻跨導(dǎo)gm電流控制iBiC;電流放大系數(shù) 1.4.4 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較(4)三個(gè)區(qū):可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)不同：溫度穩(wěn)定性好;單極型。N:電子導(dǎo)電 即多子導(dǎo)電;P:空穴導(dǎo)電本