半导体器件蔡大华2场效应管.ppt

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1、1.4 场效应管,场效应管的结构和原理,4.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102104；场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管与晶体管的区别,场效应管分类：,MOSFET,(IGFET),JFET,FET,符号,1.4.1 结型场效应管Junction Field Effect Transistor,结构,图 N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,

2、导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,分类：N沟道和P沟道,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。,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,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。,一、结型场效应管工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1.当UDS=0 时，uGS 对导电沟道的控制作用,UGS=0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 U

3、GS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.,UGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示,(动画）,2.当uGS 为UGS（Off)0中一固定值时,uDS 对漏极电流iD的影响。,uGS=0，uGD UGS（Off)，iD 较大。,uGS UGS（Off)，iD 更小。,注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),uGD uGS uDS,uGS 0,uGD=UGS(off),沟道变窄预夹断,uGS 0,uGD uGS(off),夹断，iD几乎不变,(1)改变 uGS，改变了 PN 结中电场，控制了 iD，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反

4、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。,(c),(d),(动画）,3.当uGD uGS(off)时（预夹断之后），uGS 对漏极电流iD的控制作用,场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。,场效应管为电压控制元件(VCCS)。,在uGD uGS uDS uGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。,gm=iD/uGS,(单位mS),(动画）,结型场效应管的工作原理（动画操作）,小结：,(1)在uGD uGS uDS uGS(off)情况下,即当uDS uGS-uGS(off)(即gd间未出现夹断)时，对应

5、于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻，iDuDS。,(2)当uDS使uGD uGS(off)时，d-s之间预夹断。,(3)当uDS使uGD uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS 无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。,为什么叫场效应管？,从外部看：是利用改变电压UGS来控制iD，但从PN结内部看：是利用改变电场控制PN结宽度，进而来控制iD的，所以叫场效应管。,因为uGS0V，PN结反偏，iG=0，uGS变，iG总为零。所以讨论输入特性没有意义，但FET有转移特性。,二、结型场效应管的特性曲线,1.转移特性(N 沟道结型场效应管为例),图 场效应管的转移

6、特性曲线,1.转移特性,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时的 iD),夹断电压 UGS(off)(iD=0 时的 UGS),夹断电压,漏极饱和电流,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uDSUGS（off）。,当uGS=0V时,iD最大=IDSS；uGS 愈负，iD 愈小；当uGS=UGS（OFF）时，iD最小=0。,在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值,建立uGS、iD坐标系，连接各点所得曲线就是转移特性曲线。如图示,可见转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系。,从输出特性画转移特性。,图 场效应管的转移特性曲线,恒流区,可变

7、电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。,图(b)漏极特性,夹断区,击穿区,2.输出特性曲线（漏极特性）,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,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,击穿区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,图 场效应管的输出特性,uGS愈大，预夹断时的uDS值也愈大。预夹断轨道的左边区域为可变电阻区。该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当uGS确定时直线的斜率也惟一

8、地被确定,直线斜率的倒数为d-s间等效电阻。因而在此区域中,可以通过改变uGS的大小(即压控的方式)来改变漏源电阻的阻值,特点：沟道电阻随uGS变化而变化。UDS较小，还没有预夹断。iDUDS,可变电阻区,图中虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使uDS=uGS-UGS(OFF)即uGD=uGS-uDS=UGS(OFF)的点连接而成的点，即预夹断点，将这些点连线叫预夹断线。,图 场效应管的输出特性,恒流区,uDSuGS-UGS（OFF）产生预夹断后（指|uGD|UGS（OFF）|）的区域。,图中预夹断线的右边区域为恒流区。该区域内各曲线近似为一组横轴的平行线。,固定uGS，uDS由夹断点开始增加，

9、夹断区增加，沟道电阻增加。,iD基本不变。iD与uDS无关，具有恒流特性,这个区域也被称为恒流区。,，iD基本不变。iD与uDS无关，,恒流区特点：,从图输出特性上看：,恒流区相当于三极管的放大区，JFET放大器工作在恒流区。,图 场效应管的输出特性,不论uDS多大，只要uGS变化，iD就变，uGS控制iD，iD与UDS无关，因而可将iD近似为电压uGS控制的电流源。,iD与uDS无关，受谁控制呢？iD受uGS控制。,夹断区,当uGSUGS（OFF）时，导电沟道被夹断，iD0，即图中靠近横轴的部分，称为夹断区。,一般将使iD等于某一个很小电流(0.05A)时的uGS定义为夹断电压UGS（OFF

10、）。,另外，当uDS增大到一定温度时，漏极电流会骤然增大，管子将被击穿。到击穿区管子容易烧坏，我们不用。,图 场效应管的输出特性,JEFT原理(动画1）,输出特性(动画）,从输出特性画转移特性(动画）。,JEFT原理（动画2）,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,绝缘栅型场效应管 MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,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 1010 以上。,类型,N 沟道

11、,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。,uGS=0时没有导电沟道iD=0，uGS=UGS（th）产生沟道。,uGS=0时有导电沟道。uGS=UGS（OFF）全部夹断。iD0。,增强型:uGS UGS（th）工作；,耗尽型：均能工作。,增强型:,耗尽型：,绝缘栅型场效应管符号,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图N 沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,MOSFET结构（动画）,一、N 沟道增强型 MOS 场

12、效应管,1.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。,2.工作原理分析,(1)uGS=0,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。,(2)uDS=0，0 uGS UGS(th),VGG,栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 uGS 耗尽层变宽。,(3)uDS=0，uGS UGS(th),由于吸引了足够多P型衬底的电子，,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，

13、N 沟道变宽。因为 uDS=0，所以 ID=0。,UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的 uGS，称开启电压。,(4)uDS 对导电沟道的影响(UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 iD。,b.uDS=uGS UT，uGD=UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.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。,a.uDS UT,图 uDS 对导电沟道的影响,(a)uGD UT,(b)uGD=UT,(c)uGD UT,在uDS uGS UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时

14、，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。,Mos增强型场效应管工作原理（动画）,3.特性曲线与电流方程,(a)转移特性,(b)输出特性,uGS UT，iD=0；,uGS UT，形成导电沟道，随着 uGS 的增加，iD 逐渐增大。,(当 uGS UT 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,图 1.4.10(a),图 1.4.10(b),二、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；

15、,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或UGS(off)称为夹断电压,图,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,耗尽型 MOS 管的符号,N 沟道耗尽型MOSFET,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,（N沟道）,三、P沟道MOS管,1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGS UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的

16、一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,四、VMOS管,VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。,各类场效应管的符号和特性曲线,是指在uDS为一常量时，使iD大于零所需的最小|UGS|值。手册中给出的是在iD为规定的微小电流(如5mA)时的uGS。UGS（th）是增强型MOS管的参数。,开启电压UGS（th）,1.4.3 场效应管的主要参数,一、直流参数,夹断电压UGS（OFF）,是在uDS为常量的情况下，iD为规定的微小电流时的uGS，它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。,饱和漏极电流IDSS,对于耗尽型管，在UGS=0v情况下产生预夹断时的漏极电流。,gm数值的大小表

17、示uGS对iD控制作用的强弱。在管子工作在恒流区且UDS为常量的条件下,iD的微小变化量iD与引起它变化的uGS之比，称为低频跨导，即,二、交流参数,低频跨导gm：,gm为转移特性曲线某点切线的斜率。,它是栅源电压和栅极电流之比。结型管的RGS(DC)大于107 而MOS管的RGS（DC）大于109，手册中一般只给出栅极电流的大小。,直流输入电阻RGS（DC）,一般在十分之几至几ms的范围内。,三、极限参数,最大漏极电流IDM,是指管子正常工作时的漏极电流的上限值。,最大耗散功率PDM,当FET的PD超过了PDM，管子就烧了。,是决定管子温升的参数。一个管子PDM确定后，便可在管子的输出特性上

18、画出临界最大功耗线了，在根据IDM和U（BR）DS，便可得到管子的安全工作区。,FET的三个极之间均存在极间电容。通常，栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd约为13pf，而漏源电容Cds约为0.11pf。在高频电路中，应考虑极间电容的影响，管子的最高工作频率fM是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。,极间电容：,对结型管，栅极与沟道间PN结的反向击穿电压即是U(BR)GS。对绝缘栅型管，U(BR)GS是使绝缘层击穿的电压。击穿会造成短路现象，使管子损坏。,栅源击穿电压U(BR)GS,管子进入恒流区后使iD骤然增大的uDS称为漏源击穿电压U(BR)DS。uDS超过此值会使管子烧坏。,漏源

19、击穿电压U（BR）DS,S、G要短接，有的工厂把S、G、D三腿用裸铜线捆在一起用锡纸包好。原因：对于MOS管，栅衬之间的电容容量很小，只要有少量的感应电荷就可产生很高的电压。而由于Rgs(DC)很大，感应电荷难于释放，以至于感应电荷所产生的高压会使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。E=v/d薄,d小只有一点电压V，E很大，将SiO2击穿。,四、使用注意事项,JFET UGS极性不能接反；,MOSFET保存时，G栅不能悬空。,绝缘栅变为导电栅，用手摸G极，因为人体带电几十伏，即手中带感应电压就将FET击穿了。,焊接,要求：烙铁外壳接地，若不接地，焊时要拔掉电源。因为电烙铁外壳本身有从220V电网

20、上感应电压56V。,仪器仪表外壳接地（放大器的地）,外壳感应电压56V这个电压就把MOS管的SiO2层击穿了。,JFET可用万用表检查正向电阻小，反向电阻大，MOS管不行。因为万用表里有干电池，9V易把SiO2层击穿。,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,思考题：,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,图1.4.13 场效应管的符号及特性,图1.4.13 场效应管的符号及特性,1.4.4 场效应管与晶体管的比较,(4)三个区:可变电阻区、恒流区、夹断区,不同：温度稳定性好;单极型。N:电子导电 即多子导电;P:空穴导电,本章小结 学完本章后，应能掌握以下几点：熟悉下列定义、概念及原理：自由电子与空穴，扩散与漂移，复合，空间电荷区、PN结、耗尽层，导电沟道，二极管的单向导电性，稳压管的稳压作用，晶体管与场效应管的放大作用及三个工作区域。掌握二极管、稳压管、晶体管、场效应管的外特性、主要参数的物理意义。了解选用器件的原则。,