模擬電子技術(shù)-第1章-常用半導(dǎo)體器件-場(chǎng)效應(yīng)管-劉廣孚

1§1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）場(chǎng)效應(yīng)晶體管的參數(shù)思考的問(wèn)題：三極管（BJT）工作時(shí)，總是從信號(hào)源吸取電流,它是一種電流控制型的器件，輸入阻抗較低。那么，場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是通過(guò)什么方式來(lái)控制的？有什么特點(diǎn)？×2場(chǎng)效應(yīng)管晶體管（FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制的有源器件，在集成電路（IC）以及微波電路中得到廣泛應(yīng)用。1.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）半導(dǎo)體管的特點(diǎn):體積小重量輕耗電省壽命長(zhǎng)……FET的特點(diǎn):輸入電阻高（MOSFET最高可達(dá)1015Ω）噪聲系數(shù)低熱穩(wěn)定性好工作頻率高抗輻射能力強(qiáng)制造工藝簡(jiǎn)單……31.5場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）場(chǎng)效應(yīng)晶體管屬于單極型晶體管。按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分兩大類：

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

（InsulatedGateFieldEffectTransister，IGFET）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JunctionFieldEffectTransister,JFET）√41.5.1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道耗盡型MOSFETP溝道增強(qiáng)型MOSFETP溝道耗盡型MOSFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(InsulatedGateFieldEffectTransister，IGFET)，多為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，(Metal

Oxide

SemiconductorFieldEffectTransister，MOSFET或MOS管)?！獭?1N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)

以P型半導(dǎo)體為襯底，用B表示。氧化生成一層SiO2

薄膜絕緣層。用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔。擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)。從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D(Drain，相當(dāng)于C)，一個(gè)是源極S(Source，相當(dāng)于E)。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為

柵極G(Grid，相當(dāng)于B)。61N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)柵極G相當(dāng)于B漏極D相當(dāng)于C源極S相當(dāng)于E襯底在內(nèi)部與源極相連襯底未與源極相連，

D與S可互換。72N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理柵源電壓UGS對(duì)溝道會(huì)產(chǎn)生影響漏源電壓UDS對(duì)溝道產(chǎn)生影響

1．柵源電壓UGS的控制作用先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。

UGS帶給柵極正電荷，將正對(duì)SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。同時(shí)在柵極下的表層感生電子，當(dāng)電子數(shù)量較多時(shí)，在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時(shí)若加上UDS

，就會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。反型層82N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理

1．柵源電壓UGS的控制作用

顯然改變UGS就會(huì)改變溝道，從而影響ID

，這說(shuō)明UGS對(duì)ID的控制作用。當(dāng)UGS較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS

，也不能形成ID

。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。反型層?xùn)旁措妷篣GS對(duì)溝道會(huì)產(chǎn)生影響漏源電壓UDS對(duì)溝道產(chǎn)生影響9

2．漏源電壓UDS的控制作用

設(shè)UGS＞UGS(th)，增加UDS，溝道將發(fā)生變化。

顯然漏源電壓會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS后，UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后，在漏源之間會(huì)形成一個(gè)傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。

當(dāng)UDS進(jìn)一步增加，ID不斷增加,同時(shí)，漏端的耗盡層上移，在漏端出現(xiàn)夾斷，稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷

當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)，漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí)ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。此時(shí)ID只受UGS控制，進(jìn)入線性放大區(qū)。10N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線漏極輸出特性曲線111)

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說(shuō)明柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系，可用這個(gè)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。121)

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

gm稱為跨導(dǎo)，是場(chǎng)效應(yīng)三極管的重要參數(shù)。單位mS（mA/V）132)漏極輸出特性曲線

當(dāng)UGS＞UGS(th)時(shí)，ID=f(UDS)UGS=const稱為漏極輸出特性曲線。FET作為放大元件使用時(shí)，工作在恒流區(qū)，UDS對(duì)ID的影響很小。但是UGS對(duì)ID的控制作用很明顯。曲線分五個(gè)區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)（5）過(guò)損耗區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)過(guò)損耗區(qū)14從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線。154N溝道耗盡型MOSFET在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。轉(zhuǎn)移特性曲線164N溝道耗盡型MOSFET夾斷電壓IDSS當(dāng)UGS=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。

當(dāng)UGS＞0時(shí)，ID進(jìn)一步增加。

UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。

對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UGS(off)或UP表示。轉(zhuǎn)移特性曲線17場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)的說(shuō)明：N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。

漏、襯底和源、分開，表示零柵壓時(shí)溝道不通。表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。N溝道耗盡型MOS管。

漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時(shí)溝道已經(jīng)連通。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。沒有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。18雙極型晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型

C與E一般不可互換使用絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道結(jié)型N溝道P溝道

D與S，有的型號(hào)可互換使用載流子多子擴(kuò)散，少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)1.5.2雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型晶體管的比較19雙極型晶體管場(chǎng)效