场效应三极管简介.ppt

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1、1,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,2.7.1场效应晶体管简介,2,符号,1.结型场效应管,（1）结构,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,3,P 沟道场效应管,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,4,（2）工

2、作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,5,在漏极与源极间电压一定时，漏极电流iD的大小取决于沟道的电阻，当材料电阻率和沟道长度一定时，沟道的电阻，主要由导电沟道的有效截面积决定，因此，通过改变导电沟道的截面积，就可以控制漏极电流iD的大小。,1）沟道电流的可控性,iD,6,2）栅源电压改变沟道大小,当漏极与源极之间的电压不变时，改变两个PN结耗尽层的大小，就可以控制导电沟道的有效截面积

3、的大小，也就改变沟道的导电能力。在栅极和源极之间加上负电压（即uGS 0），此时两个PN结均为反向偏置，加大这个反偏电压，耗尽层不断变宽，沟道的导电截面积逐渐减小，沟道电阻就随之增大，漏极电流iD将减小。当减小栅源间的反向偏置电压时，漏极电流将增大。这就是结型场效应管的简单工作原理。,7,(a)改变 UGS，改变了 PN 结中电场，控制了 ID，故称场效应管；(b)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,3）结论,8,(3)特性曲线,转移特性测试电路(N 沟道结型场效应管为例),两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的

4、ID),夹断电压 UP(ID=0 时的 UGS),1）转移特性,9,1）转移特性,转移特性曲线,2）输出特性,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,UGS=0，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS=UP，ID 0。,10,输出特性有四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。,2）输出特性,uDS=0 时输出特性曲线,11,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS=常数,UDS=15 V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以

5、上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,在输出特性上用作图法求转移特性,12,2.绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS=0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS=0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,13,(1)N 沟道增强型 MOS 场效应管,1)结构与符号,以P型材料为衬底，在其上制作两个N型区（用N+表示），引出两个电极作为源极s和漏d，再在表面上覆盖一层二氧化硅 SiO2绝缘层，并在两

6、个N+区之间的绝缘层外蒸发一层金属铝作栅极g。衬底引出引线B，将它与源极连在一起。图（b）是其电路符号，其箭头的方向表示由P型衬底指向N型沟道。,图(a),图(b),14,2)工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。UGS=0，或者栅极悬空时，漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,15,工作原理,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,(a)UDS=0，0 UGS UT,16,(b)UDS=0，UG

7、S UT,由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS=0，所以 ID=0。UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,17,(c)UDS UT,导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID。,(d)UDS=UGS UT，UGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,18,(e)UDS UGS UT，UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,19,3)特性曲线,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT，ID=0；,

8、UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UT 时),四个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区和击穿区。,20,(2)N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS=0 也会形成 N 型导电沟道。,UGS=0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；,UGS=-UP,感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UP 称为夹断电压,21,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：uDS 0；u

9、GS 正、负、零均可。,(a)转移特性,(b)输出特性,(c)符号,22,3.场效应管的主要参数,(1)夹断电压 UP,(2)开启电压 UT,(4)直流输入电阻 RGS,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109。,(3)饱和漏极电流 IDSS,23,(5)低频跨导 gm,(6)极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,24,(7)漏极最大允许耗散功率 PDM,(8)漏源击穿电压 U(BR)DS,(9)栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,25,