場效應(yīng)晶體管

1、場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)管的特點結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管第四章第四章絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管第四節(jié)第四節(jié)場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管，用場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管，用fet來表示來表示 （field effect transistor）。）。一、絕緣柵場效應(yīng)管一、絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管是一種金屬絕緣柵場效應(yīng)管是一種金屬氧化物氧化物半導體場效半導體場效應(yīng)管，簡稱應(yīng)管，簡稱mos管。管。mos管按管按工作工作方式方式分類分類增強型增強型mos管管耗盡型耗盡型mos管管n溝道溝道p溝道溝道n溝道溝道p溝道溝道第四節(jié)第四節(jié)（一）（一）n n溝道增強型溝道增強型mosmos管的結(jié)

2、構(gòu)和工作原理管的結(jié)構(gòu)和工作原理nnb-襯底引線襯底引線sgdp襯底襯底bsio2絕絕緣層緣層g-柵極柵極s-源極源極d-漏極漏極n型區(qū)型區(qū)ggssddbb箭頭方向是區(qū)別箭頭方向是區(qū)別n溝道與溝道與p溝道的標志溝道的標志第四節(jié)第四節(jié)n溝道溝道p溝道溝道鋁鋁2.工作原理工作原理（1）感生溝道的形成）感生溝道的形成在電場的作用下，可以把在電場的作用下，可以把p型襯底表面層中多數(shù)載流子空穴全部排斥型襯底表面層中多數(shù)載流子空穴全部排斥掉，形成空間電荷區(qū)。掉，形成空間電荷區(qū)。當當ugs增加到某一臨界電壓增加到某一臨界電壓(ut)值時，吸引足夠多的電子，在值時，吸引足夠多的電子，在p型半導型半導體的表面附近

3、感應(yīng)出一個體的表面附近感應(yīng)出一個n型層型層,形成反型層形成反型層漏源之間的導電溝道。漏源之間的導電溝道。 開始形成反型層的開始形成反型層的ugs稱為開啟電壓稱為開啟電壓(ut)。ugs越高，電場越強，感越高，電場越強，感應(yīng)的電子越多，溝道就越寬。應(yīng)的電子越多，溝道就越寬。ugsgb自由電子自由電子反型層反型層耗盡區(qū)耗盡區(qū)第四節(jié)第四節(jié)絕緣柵場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)來改變導電通道的寬窄，從絕緣柵場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)來改變導電通道的寬窄，從而控制漏而控制漏-源極間電流的大小。源極間電流的大小。柵極和源極之間加正向電壓柵極和源極之間加正向電壓耗盡區(qū)耗盡區(qū)鋁鋁sio2襯底襯底 p型硅型硅gbugs受主離

4、子受主離子空穴空穴（2）柵源電壓）柵源電壓ugs對漏極電流對漏極電流id的控制作用的控制作用在柵源電壓在柵源電壓ugs=0時，沒有導電溝道。漏源極之間存在兩個背向時，沒有導電溝道。漏源極之間存在兩個背向pn結(jié)，其中一個為反向偏置，只能流過很小的反向飽和電流，結(jié)，其中一個為反向偏置，只能流過很小的反向飽和電流，id0。增大增大vgg，使，使ugs=ut時形成導電溝道。在正向漏源電壓作用下，時形成導電溝道。在正向漏源電壓作用下，溝道內(nèi)的多子（電子）產(chǎn)生漂移運動，形成漏極電流溝道內(nèi)的多子（電子）產(chǎn)生漂移運動，形成漏極電流id。ugs變大變大id變大變大溝道寬度變寬溝道寬度變寬溝道電阻變小溝道電阻變小

5、nnvddvggsdbgidpn溝道溝道ugsut時才能形成導電溝道時才能形成導電溝道第四節(jié)第四節(jié)ugs對對id的控制作用：的控制作用：（3）漏源電壓）漏源電壓uds對漏極電流對漏極電流id的影響的影響ugsut 時，溝道形成。當時，溝道形成。當uds較小，即較小，即ugdut時，溝道寬度受時，溝道寬度受uds的影的影響很小，溝道電阻近似不變，響很小，溝道電阻近似不變，id隨隨uds的增加呈線性增加。的增加呈線性增加。當當uds增大時，溝道各點與柵極間電壓不等，使溝道從源極向漏極逐漸變增大時，溝道各點與柵極間電壓不等，使溝道從源極向漏極逐漸變窄。隨著窄。隨著uds增大，溝道電阻迅速增大，增大，

6、溝道電阻迅速增大，id不再隨不再隨uds線性增大。線性增大。繼續(xù)增大繼續(xù)增大uds ，則，則ugd utugd=utugdut，uds很小，很小，ugdut的的情況。情況。若若ugs不變，溝道電阻不變，溝道電阻rds不變，不變，id隨隨uds的增大而線性的增大而線性上升。上升。ugs變大，變大， rds變小，看作變小，看作由電壓由電壓ugs控制的可變電阻?？刂频目勺冸娮?。第四節(jié)第四節(jié) 截止區(qū)截止區(qū)該區(qū)對應(yīng)于該區(qū)對應(yīng)于ugsut的情況的情況由于沒有感生溝道，故電流由于沒有感生溝道，故電流id0，管子處于截止狀態(tài)。，管子處于截止狀態(tài)。2 4 6 8 101214161234560ugs=6v435

7、uds(v)id(ma)2 恒流區(qū)恒流區(qū)（飽和區(qū)）飽和區(qū)）區(qū)區(qū)對應(yīng)對應(yīng) 預夾斷后，預夾斷后，ugsut，uds很大，很大，ugdut）其中其中k為常數(shù)，由管子結(jié)構(gòu)決定，可以估算出來。為常數(shù)，由管子結(jié)構(gòu)決定，可以估算出來。第四節(jié)第四節(jié)ut（三）（三）n n溝道增強型溝道增強型mosmos管的主要參數(shù)管的主要參數(shù)直流參數(shù)直流參數(shù)交流參數(shù)交流參數(shù)極限參數(shù)極限參數(shù)第四節(jié)第四節(jié) 1.直流參數(shù)直流參數(shù)（2）直流輸入電阻）直流輸入電阻rgs（1）開啟電壓）開啟電壓ut在襯底表面感生在襯底表面感生出導電溝道所需出導電溝道所需的柵源電壓。實的柵源電壓。實際上是在規(guī)定的際上是在規(guī)定的uds條件下，增大條件下，增大

8、ugs，當，當id達到規(guī)達到規(guī)定的數(shù)值時所需定的數(shù)值時所需要的要的ugs值。值。在在uds=0的條件的條件下，柵極與源下，柵極與源極之間加一定極之間加一定直流電壓時，直流電壓時，柵源極間的直柵源極間的直流電阻。流電阻。rgs的的值很大，一般值很大，一般大于大于 。910第四節(jié)第四節(jié)2.交流參數(shù)交流參數(shù)定義：當定義：當uds一定時，漏極電流變化量與引起這一變化的柵源一定時，漏極電流變化量與引起這一變化的柵源電壓變化量之比，即電壓變化量之比，即常數(shù)dsgsdmuuiggm相當于轉(zhuǎn)移特性的斜率，反映了場效應(yīng)管的放大能力。相當于轉(zhuǎn)移特性的斜率，反映了場效應(yīng)管的放大能力。它可以從輸出特性上求出，或根據(jù)轉(zhuǎn)

9、移特性的表達式求導它可以從輸出特性上求出，或根據(jù)轉(zhuǎn)移特性的表達式求導數(shù)得到。數(shù)得到。（2）極間電容：）極間電容：柵、源極間電容柵、源極間電容cgs和柵、漏極間電容和柵、漏極間電容cgd，它影響高頻性能的交流參數(shù)，應(yīng)越小越好。，它影響高頻性能的交流參數(shù)，應(yīng)越小越好。第四節(jié)第四節(jié)（1）跨導）跨導gm3.極限參數(shù)極限參數(shù)是指場效應(yīng)管工作時，允許的最大漏極電流。是指場效應(yīng)管工作時，允許的最大漏極電流。是指管子允許的最大耗散功率，是指管子允許的最大耗散功率，相當于雙極型晶體管的相當于雙極型晶體管的pcm。第四節(jié)第四節(jié)2 4 6 8 1012 14 160ugs=7v546uds(v)id(ma)3（1）

10、漏極最大允許電流）漏極最大允許電流idm（2）漏極最大耗散功率）漏極最大耗散功率pdmdsddmuipdmi在輸出特性上畫出臨界最大功耗在輸出特性上畫出臨界最大功耗線。線。是指在是指在uds=0時，柵源極間絕緣層發(fā)生擊穿，產(chǎn)生很大的短路時，柵源極間絕緣層發(fā)生擊穿，產(chǎn)生很大的短路電流所需的電流所需的ugs值。擊穿將會損壞管子。值。擊穿將會損壞管子。是指在是指在uds增大時，使增大時，使id開始急劇增開始急劇增加的加的uds值。值。（3）柵源極間擊穿電壓）柵源極間擊穿電壓u(br)gs（4）漏源極間擊穿電壓）漏源極間擊穿電壓u(br)dsu(br)ds此時不僅產(chǎn)生溝道中的電子參與導此時不僅產(chǎn)生溝道

11、中的電子參與導電，空間電荷區(qū)也發(fā)生擊穿，使電電，空間電荷區(qū)也發(fā)生擊穿，使電流增大。流增大。第四節(jié)第四節(jié)dsddmuipdmi2 4 6 8 1012 14 160ugs=7v546uds(v)id(ma)3（四）（四）n溝道耗盡型溝道耗盡型mos管管1.工作原理工作原理vddnnsgdbpidn溝道溝道結(jié)構(gòu)示結(jié)構(gòu)示意圖意圖sio2絕緣層中摻入大量的正離子。絕緣層中摻入大量的正離子。p襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，存在導襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，存在導電溝道。電溝道。在在ugs=0時時當當ugs0時時感生溝道加寬，感生溝道加寬，id增大。增大。感生溝道變窄，感生溝道變窄，id減小。減小。當當ugs達到某

12、一負電壓值達到某一負電壓值up時，抵消時，抵消了由正離子產(chǎn)生的電場，導電溝道消了由正離子產(chǎn)生的電場，導電溝道消失，失，id0，up稱為夾斷電壓。稱為夾斷電壓。當當ugs0時時第四節(jié)第四節(jié)sgdb符號符號輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2 4 6 8 101214160ugs=0v1-12uds(v)id(ma)-224681012id(ma)012345-1-2-324681012ugs(v)upidssuds=10v2.特性曲線特性曲線預夾斷軌跡方程：預夾斷軌跡方程：pgsdsuuu轉(zhuǎn)移特性曲線方程：轉(zhuǎn)移特性曲線方程：2pgsdssd1）（uuii其中其中idss是是ugs=0時的時的id值

13、，稱為零偏漏級電流，也稱飽和漏極電流。值，稱為零偏漏級電流，也稱飽和漏極電流。第四節(jié)第四節(jié)3.主要參數(shù)主要參數(shù)實際測量時，是在規(guī)定的實際測量時，是在規(guī)定的uds條件下，使條件下，使id減小到規(guī)定的減小到規(guī)定的微小值時所需的微小值時所需的ugs值。值。該電流為該電流為uds在恒流區(qū)在恒流區(qū)范圍內(nèi)，且范圍內(nèi)，且ugs=0v時時的的id值，亦稱飽和漏值，亦稱飽和漏極電流。極電流。第四節(jié)第四節(jié)（1）夾斷電壓）夾斷電壓up是指導電溝道完全夾斷時所需的柵源電壓。是指導電溝道完全夾斷時所需的柵源電壓。（2）零偏漏極電流）零偏漏極電流idss它反映了零柵壓時原始它反映了零柵壓時原始溝道的導電能力。溝道的導電能

14、力。id(ma)012345-1-2-324681012ugs(v)upidssuds=10v二、結(jié)型場效應(yīng)管二、結(jié)型場效應(yīng)管jfet(junction field effect transistor)兩個兩個p+區(qū)中間的區(qū)中間的n型半導體，在加上正向型半導體，在加上正向uds電壓時就有電流流過，故稱為電壓時就有電流流過，故稱為n溝道。溝道。s-源極源極g-柵極柵極d-漏極漏極np第四節(jié)第四節(jié)s-源極源極g-柵極柵極d-漏極漏極np當當ugs=0時，就有導電溝道存在，故而這種管子時，就有導電溝道存在，故而這種管子也屬于耗盡型場效應(yīng)管。也屬于耗盡型場效應(yīng)管。sdgvddvggp溝道溝道ugsud

15、sidnsgd第四節(jié)第四節(jié)n溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管sdgvggpugs改變改變ugs的大小，就可以的大小，就可以改變溝道寬窄，即改變改變溝道寬窄，即改變溝道的電阻，從而控制溝道的電阻，從而控制id的大小。這與絕緣柵場的大小。這與絕緣柵場效應(yīng)管是一樣的。效應(yīng)管是一樣的。dn溝溝道道空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)sgpugs=0sdgvggpugsup ugs upugd=upugdupuds對導電溝道的影響對導電溝道的影響vggsdgvddsdgvddvgg隨著隨著uds增大，增大，pn結(jié)加寬，將產(chǎn)生結(jié)加寬，將產(chǎn)生預夾斷。預夾斷。第四節(jié)第四節(jié)up 0，則兩個，則兩個pn結(jié)是正向結(jié)是正向偏置，將會

16、產(chǎn)生很大的柵極電流，有可能損壞偏置，將會產(chǎn)生很大的柵極電流，有可能損壞管子。管子。idss2 4 6 8 101214161234560ugs=0v-2-3-1uds(v)id(ma)-41234特性曲線特性曲線第四節(jié)第四節(jié)三、場效應(yīng)管的特點三、場效應(yīng)管的特點場效應(yīng)管與雙極型晶體管相比：場效應(yīng)管與雙極型晶體管相比：（）（）場效應(yīng)管中場效應(yīng)管中，導電過程是多數(shù)載流子的漂移，導電過程是多數(shù)載流子的漂移運動，故稱為單極型晶體管；運動，故稱為單極型晶體管；雙極型晶體管雙極型晶體管中既有中既有多子的擴散運動又有少子的漂移運動。多子的擴散運動又有少子的漂移運動。（）場效應(yīng)管場效應(yīng)管是通過柵極電壓是通過柵極

17、電壓ugs來控制漏極電流來控制漏極電流id，稱為電壓控制器件；，稱為電壓控制器件；雙極型晶體管雙極型晶體管是利用基極是利用基極電流電流ib（或射極電流（或射極電流ie）來控制集電極電流）來控制集電極電流ic，稱為，稱為電流控制器件。電流控制器件。第四節(jié)第四節(jié)（）（）場效應(yīng)管場效應(yīng)管的輸入電阻很大；的輸入電阻很大；晶體管晶體管的輸入電的輸入電阻較小。阻較小。注意注意：mosmos管在使用時應(yīng)避免懸空，保存管在使用時應(yīng)避免懸空，保存不用時必須將各級間短接；焊接時電烙鐵不用時必須將各級間短接；焊接時電烙鐵外殼要可靠接地。外殼要可靠接地。s sg gd dr rd dz1z1d dz2z2柵極過壓保護

18、電路柵極過壓保護電路當電壓過高時，將有一個穩(wěn)壓當電壓過高時，將有一個穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓，限制了管擊穿穩(wěn)壓，限制了ugs的增大，的增大，起到保護管子的作用。起到保護管子的作用。第四節(jié)第四節(jié)（）（）場效應(yīng)管場效應(yīng)管的跨導的跨導gm的值較小，的值較小，雙雙極型晶體管極型晶體管的的值很大。在同等條件下，值很大。在同等條件下，場效應(yīng)管的放大能力不如晶體管高。場效應(yīng)管的放大能力不如晶體管高。（）（）結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管的漏極和源極可以的漏極和源極可以互換使用，互換使用，mos管管如果襯底沒有和源極如果襯底沒有和源極接在一起，也可將接在一起，也可將d、s極互換使用；極互換使用；雙級型晶體管雙級型晶體管的的c

19、和和e極互換則稱為倒極互換則稱為倒置工作狀態(tài)，此時置工作狀態(tài)，此時將變得非常小。將變得非常小。（6）場效應(yīng)管場效應(yīng)管可作為壓控電阻使用?？勺鳛閴嚎仉娮枋褂谩５谒墓?jié)第四節(jié)(7）場效應(yīng)管場效應(yīng)管是依靠多子導電，是依靠多子導電，因此具有較好的溫度穩(wěn)定性、因此具有較好的溫度穩(wěn)定性、抗輻射性和較低的噪聲?？馆椛湫院洼^低的噪聲。由圖可見，不同溫度下的轉(zhuǎn)移由圖可見，不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性的交點特性的交點q（即工作點）的（即工作點）的id、uds幾乎不受溫度影響。幾乎不受溫度影響。晶體管晶體管的溫度穩(wěn)定性差，抗輻的溫度穩(wěn)定性差，抗輻射及噪聲能力也較低。射及噪聲能力也較低。q+125+25t= -55id(ma)

20、ugs(v)uds=10v場效應(yīng)管場效應(yīng)管還有一些缺點：如還有一些缺點：如功率小，速度慢功率小，速度慢等。但由于等。但由于它它工藝簡單，易于集成工藝簡單，易于集成，故廣泛應(yīng)用于集成電路。，故廣泛應(yīng)用于集成電路。第四節(jié)第四節(jié)本本 節(jié)節(jié) 要要 點點1. n溝道增強型溝道增強型mos管管場效應(yīng)管是利用柵場效應(yīng)管是利用柵-源極外加電壓源極外加電壓ugs產(chǎn)生的電場效應(yīng)來改變導產(chǎn)生的電場效應(yīng)來改變導電通道的寬窄，從而控制漏電通道的寬窄，從而控制漏-源極間電流源極間電流id的大小，可將的大小，可將id看作看作由電壓由電壓ugs控制的電流源?？刂频碾娏髟?。2 4 6 8 101214161234560ugs=

21、6v435uds(v)id(ma)ugs(v)id(ma)0uds=10v1 2 3 4 56ut輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性場效應(yīng)管有截止區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)三個工作區(qū)域。場效應(yīng)管有截止區(qū)、恒流區(qū)和可變電阻區(qū)三個工作區(qū)域。它的主要參數(shù)有它的主要參數(shù)有g(shù)m、ut或或up、idss、idm、u(br)ds、pdm和和極間電容。極間電容。第四節(jié)第四節(jié)輸輸出出特特性性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移特特性性2 4 6 8 101214160ugs=0v1-12uds(v)id(ma)-224681012id(ma)012345-1-2-324681012ugs(v)upidssuds=10v2. n溝道耗盡型溝道耗盡

22、型mos管管3. n溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管-ugs(v)id(ma)0uds=10vupidss2 4 6 8 101214161234560ugs=0v-2-3-1uds(v)id(ma)-41234第四節(jié)第四節(jié)本本 章章 小小 結(jié)結(jié)本章首先介紹了半導體的基礎(chǔ)知識，然后闡述了本章首先介紹了半導體的基礎(chǔ)知識，然后闡述了半導體二極管、雙極型晶體管（半導體二極管、雙極型晶體管（bjt）和場效應(yīng)）和場效應(yīng)管（管（fet）的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。）的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。一、一、pn結(jié)結(jié)在本征半導體中摻入不同雜質(zhì)就形成在本征半導體中摻入不同雜質(zhì)就形成n型半導體型半導體與與p型

23、半導體，控制摻入雜質(zhì)的多少就可有效地改型半導體，控制摻入雜質(zhì)的多少就可有效地改變其導電性，從而實現(xiàn)導電性能的可控性。變其導電性，從而實現(xiàn)導電性能的可控性。1. 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體第四章第四章將兩種雜質(zhì)半導體制作在同一個硅片（或鍺片）上，將兩種雜質(zhì)半導體制作在同一個硅片（或鍺片）上，在它們的交界面處，擴散運動和漂移運動達到動態(tài)在它們的交界面處，擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，從而形成平衡，從而形成pn結(jié)。結(jié)。正確理解正確理解pn結(jié)單向?qū)щ娦?、反向擊穿特性、溫度特性和電容結(jié)單向?qū)щ娦?、反向擊穿特性、溫度特性和電容效?yīng)，有利于了解半導體二極管、晶體管和場效應(yīng)管等電子效應(yīng)，有利于了解半導體二極管、晶

24、體管和場效應(yīng)管等電子器件的特性和參數(shù)。器件的特性和參數(shù)。2. pn結(jié)結(jié)載流子有兩種有序的運動：因濃度差而產(chǎn)生的運動稱載流子有兩種有序的運動：因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動，因電位差而產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。為擴散運動，因電位差而產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。半導體有兩種載流子：自由電子和空穴。半導體有兩種載流子：自由電子和空穴。第四章第四章二、半導體二極管二、半導體二極管一個一個pn結(jié)經(jīng)封裝并引出電極后就構(gòu)成二極管。結(jié)經(jīng)封裝并引出電極后就構(gòu)成二極管。二極管加正向電壓時，產(chǎn)生擴散電流，電流和電壓二極管加正向電壓時，產(chǎn)生擴散電流，電流和電壓成指數(shù)關(guān)系；加反向電壓時，產(chǎn)生漂移電流，其數(shù)成指數(shù)關(guān)系；加反向電壓時，產(chǎn)生漂移電流，其數(shù)值很??；體現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。值很??；體現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。特殊二極管與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦?。特殊二極管與普通二極管一樣，具有單向?qū)щ娦?。利用利用pn結(jié)擊穿時的特性可制成穩(wěn)壓二極管。結(jié)擊穿時的特性可制成穩(wěn)壓二極管。if、ir、ur和和fm是二極管的主要參數(shù)。是二極管的主要參數(shù)。第四章第四章三、晶體管三、晶體管晶體管具有電流放大作用。晶體管具有電流放大作用。當發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置時，從發(fā)射區(qū)注入到當發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置時，從發(fā)