第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第4講學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第第1章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)(jch)第第4講講第一頁，共34頁。1.5.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)與符號與符號N 溝道溝道(u do) JFETP 溝道溝道(u do) JFETSGD符號符號SGD符號符號柵極柵極源極源極漏極漏極第1頁/共33頁第二頁，共34頁。q N溝道溝道JFET管外部管外部(wib)工作條件工作條件 UDS 0UGS 02. JFET管工作管工作(gngzu)原理原理P+P+NGSD- + + UGSUDS+ + - -(保證保證(bozhng)柵源柵源PN結(jié)反偏結(jié)反偏)(以形成漏極電流以形成漏極電流)第2頁/共33頁第三

2、頁，共34頁。q UGS對溝道對溝道(u do)寬度的影響寬度的影響|UGS | 耗盡層寬度耗盡層寬度 若若|UGS | 繼續(xù)繼續(xù) 溝道全夾溝道全夾斷斷若若UDS=0NGSD- + + UGSP+P+N型溝道寬度型溝道寬度 溝道電阻溝道電阻 此時此時(c sh)UGS 的值稱為夾斷電壓的值稱為夾斷電壓UGS (off)第3頁/共33頁第四頁，共34頁。由圖由圖 UGD = UGS - UDS UDS ID線性線性 若若UDS 則則UGD 近漏端溝道近漏端溝道(u do) 溝道溝道(u do)電阻增大。電阻增大。此時此時 溝道溝道(u do)電阻電阻 ID 變慢變慢q UDS對溝道的控制對溝道的

3、控制(kngzh)（假設(shè)（假設(shè)UGS 一定）一定）NGSD- + + UGSP+P+UDS+- -UDS=0ID=0第4頁/共33頁第五頁，共34頁。 當(dāng)當(dāng)UDS增加到使增加到使UGD =UGS(off)時時 A點出現(xiàn)點出現(xiàn)(chxin)預(yù)夾斷預(yù)夾斷 若若UDS 繼續(xù)繼續(xù)(jx)A點下移點下移出現(xiàn)出現(xiàn)夾斷區(qū)夾斷區(qū)因此因此(ync)(ync)預(yù)預(yù)夾斷后：夾斷后：UDS ID 基本維持不變?；揪S持不變。 NGSD- + + UGSP+P+UDS+- -ANGSD- + + UGSP+P+UDS+- -A第5頁/共33頁第六頁，共34頁。 uGS和和uDS同時同時(tngsh)作作用時用時當(dāng)當(dāng) U

4、GS(off) uGS0 時，形成導(dǎo)電溝道時，形成導(dǎo)電溝道(u do)，對，對于同樣的于同樣的uDS ， iD的值比的值比uGS=0時的值要小。在預(yù)夾時的值要小。在預(yù)夾斷處斷處, uGD=uGS-uDS = UGS(off) 。 當(dāng)當(dāng)uGD = uGS - uDS uGS - uGS(off) 0，導(dǎo)電溝，導(dǎo)電溝道夾斷，道夾斷， iD 不隨不隨uDS 變化變化 ； 但但uGS 越小，即越小，即|uGS| 越大，溝道電阻越大，越大，溝道電阻越大，對同樣的對同樣的uDS ， iD 的值越小。所以，的值越小。所以，此時可以通過改變此時可以通過改變uGS 控制控制iD 的大小，的大小， iD與與uDS

5、 幾乎無關(guān)，可以近似幾乎無關(guān)，可以近似(jn s)看成受看成受uGS 控制的電流源。由于漏極控制的電流源。由于漏極電流受柵電流受柵-源電壓的控制，所以場效應(yīng)源電壓的控制，所以場效應(yīng)管為電壓控制型元件。管為電壓控制型元件。NGSD- + + UGSP+P+UDS+- -A第6頁/共33頁第七頁，共34頁。綜上分析綜上分析(fnx)可知可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管也稱為所以場效應(yīng)管也稱為(chn wi)單極型三極管。單極型三極管。 JFET是電壓控制電流是電壓控制電流(dinli)器件，器件，iD受受uGS控制控制 預(yù)夾斷前預(yù)

6、夾斷前iD與與uDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。 JFET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，結(jié)是反向偏置的，因因 此此iG 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。第7頁/共33頁第八頁，共34頁。3. JFET的特性曲線的特性曲線(qxin)及參數(shù)及參數(shù)2. 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移(zhuny)特特性性 )0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSD uUUuIi1. 輸出特性輸出特性 常量常量 DS)(GSDuufi常量常量 GS)(DSDuufiUGS(off)iDiD第8頁/共33頁第九頁，共34頁。 夾斷電壓夾斷電壓UGS(of

7、f)： 飽和飽和(boh)漏極電流漏極電流IDSS： 低頻低頻(dpn)跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm：常常數(shù)數(shù) DSGSDmuuig時）時）（當(dāng)（當(dāng)012GSGS(OFF)GSDSSm uUU)Uu(IgGS(OFF)GS(OFF)或或3. 主要參數(shù)主要參數(shù)漏極電流漏極電流(dinli)約為零時約為零時的的UGS值值 。UGS=0時對應(yīng)的漏極電流。時對應(yīng)的漏極電流。 低頻跨導(dǎo)反映了低頻跨導(dǎo)反映了uGS對對iD的控制作的控制作用。用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西毫西門子門子)。 輸出電阻輸出電阻rd：常常數(shù)數(shù) GSDDSduiur第9頁/共33頁第十頁，共34頁

8、。 結(jié)型場效應(yīng)管的缺點結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(qudin)：1. 柵源極間的電阻雖然可達柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些以上，但在某些(mu xi)場合仍嫌不夠高。場合仍嫌不夠高。3. 柵源極間的柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)結(jié)加正向電壓時，將出現(xiàn)較大較大(jio d)的柵極電流。的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2. 在高溫下，在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。極間的電阻會顯著下降。第10頁/共33頁第十一頁，共34頁。一、增強型一、增強型 N 溝道溝道(u do) MOSFET

9、(Mental Oxide Semi FET)1.5.2 MOS 場效應(yīng)管場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)與符號與符號P 型襯底型襯底( (摻雜摻雜(chn z)(chn z)濃濃度低度低) )N+N+用擴散的方法用擴散的方法制作兩個制作兩個 N 區(qū)區(qū)在硅片表面生一在硅片表面生一層薄層薄 SiO2 絕緣層絕緣層S D用金屬鋁引出用金屬鋁引出源極源極 S 和漏極和漏極 DG在絕緣層上噴金屬在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極鋁引出柵極 GB耗耗盡盡層層S 源極源極 SourceG 柵極柵極 Gate D 漏極漏極 DrainSGDB第11頁/共33頁第十二頁，共34頁。 2. N溝道增強型溝道增強型MO

10、S管的工作管的工作(gngzu)原理原理1) uDS=0時，時， uGS 對溝道的控制對溝道的控制(kngzh)作用作用 當(dāng)當(dāng)uDS=0且且uGS0時，時， 因因SiO2的的存在，存在，iG=0。但。但g極為金屬鋁，因外加極為金屬鋁，因外加正向偏置電壓而聚集正向偏置電壓而聚集(jj)正電荷，從而正電荷，從而排斥排斥P型襯底靠近型襯底靠近g極一側(cè)的空穴，使之極一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層( 0 UGS UGS(th) 。 當(dāng)當(dāng)uGS=0時，時， 漏漏-源之間是兩個背靠背的源之間是兩個背靠背的PN結(jié)，不結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，無論存在導(dǎo)電溝道，無

11、論 uDS 為多少，為多少， iD=0 。 s N+ N+ P （襯襯底底） g d B 第12頁/共33頁第十三頁，共34頁。 (uGS UGS(th) 當(dāng)當(dāng)uGS進一步增加時，一方面耗盡層增寬，另一方面襯底的自由電子被吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個進一步增加時，一方面耗盡層增寬，另一方面襯底的自由電子被吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個N型薄層型薄層(bo cn)，稱之為反型層，構(gòu)成了漏，稱之為反型層，構(gòu)成了漏-源之間的導(dǎo)電溝道（也稱感生溝道），如圖所示。源之間的導(dǎo)電溝道（也稱感生溝道），如圖所示。 N+ N+ P （襯襯底底） B g uDS uGS s d 使溝道剛剛形成使溝道剛剛

12、形成(xngchng)的柵的柵-源電壓稱之為開源電壓稱之為開啟電壓啟電壓UGS(th)。 uGS越大，反型層越寬，導(dǎo)電溝道電越大，反型層越寬，導(dǎo)電溝道電阻越小。阻越小。第13頁/共33頁第十四頁，共34頁。1)uGS 對導(dǎo)電對導(dǎo)電(dodin)溝道的影響溝道的影響 (uDS = 0)a. 當(dāng)當(dāng) UGS = 0 ，DS 間為兩個間為兩個(lin )背對背的背對背的 PN 結(jié)；結(jié)；b. 當(dāng)當(dāng) 0 UGS UGS(th)DS 間的電位間的電位差使溝道呈楔形，差使溝道呈楔形，uDS，靠近漏極，靠近漏極端 的 溝 道 厚 度端 的 溝 道 厚 度(hud)變薄變薄-梯梯形。形。預(yù)夾斷預(yù)夾斷(UGD =

13、UGS(th)：漏極附近：漏極附近(fjn)反型層反型層消失。消失。預(yù)夾斷發(fā)生之前：預(yù)夾斷發(fā)生之前： uDS iD 。預(yù)夾斷發(fā)生之后：預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDS iD 不變。不變。（進入飽和區(qū)）（進入飽和區(qū)）第15頁/共33頁第十六頁，共34頁。3. 輸出特性曲線輸出特性曲線(qxin)GS)(DSDUufi 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)uDS UGS(th) 時：時：2GS(th)GSDOD)1( UuIiuGS = 2UGS(th) 時的時的 iD 值值開啟開啟(kiq)電壓電壓O第17頁/共33頁第十八頁，共34頁。二、耗盡二、耗盡(ho jn)型型 N 溝道溝道 MOSFETSGDB 與與 N溝道

14、增強型溝道增強型MOS管不同的是，管不同的是， N溝道耗盡溝道耗盡型型MOS管的絕緣層中參入了大量的正離子，所以，管的絕緣層中參入了大量的正離子，所以，即使即使(jsh)在在uGS=0時，耗盡層與絕緣層之間仍然時，耗盡層與絕緣層之間仍然可以形成反型層，只要在漏可以形成反型層，只要在漏-源之間加正向電壓，就源之間加正向電壓，就會產(chǎn)生會產(chǎn)生iD。第18頁/共33頁第十九頁，共34頁。 若若uDS為定值，而為定值，而uGS 0， uGS iD ；若；若uGS uGS(off)，且為定值，則，且為定值，則iD 隨隨uDS 的變化的變化與與N溝道增強型溝道增強型MOS管的相同。但因管的相同。但因uGS(

15、off) 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /viD /mAO第25頁/共33頁第二十六頁，共34頁。4. 低頻低頻(dpn)跨導(dǎo)跨導(dǎo) gm 常數(shù)常數(shù) DSGSDmUuig反映了反映了uGS 對對 iD 的控制能力，的控制能力，單位單位(dnwi) S(西門子西門子)。一般為幾毫西。一般為幾毫西 (mS)uGS /viD /mAQO第26頁/共33頁第二十七頁，共34頁。PDM = uDS iD，受溫度，受溫度(wnd)限制。限制。5. 漏源動態(tài)漏源動態(tài)(dngti)電阻電阻 rds常數(shù)常數(shù) GSdDS dsuiur6. 最大漏極功耗最大漏極功耗(n ho) P

16、DM第27頁/共33頁第二十八頁，共34頁。1.5.5 場效應(yīng)管與晶體場效應(yīng)管與晶體(jngt)三極管的比較三極管的比較一、場效應(yīng)管是電壓控制一、場效應(yīng)管是電壓控制(kngzh)器件，而晶體器件，而晶體管是電流控制管是電流控制(kngzh)器件器件二、場效應(yīng)管利用一種二、場效應(yīng)管利用一種(y zhn)多子導(dǎo)電，故又稱為多子導(dǎo)電，故又稱為單極型三極管單極型三極管,其溫度穩(wěn)定性好。其溫度穩(wěn)定性好。三、三、MOS場效應(yīng)管制造工藝簡單，便于集成，適合場效應(yīng)管制造工藝簡單，便于集成，適合制造大規(guī)模集成電路。制造大規(guī)模集成電路。第28頁/共33頁第二十九頁，共34頁。1.5.5 場效應(yīng)管與晶體場效應(yīng)管與晶

17、體(jngt)三極管的比較三極管的比較 比較項目比較項目 三極管三極管場效應(yīng)管場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) NPN型型PNP型型C極與極與E極一般不可交換使極一般不可交換使用用 結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型 N溝道溝道 P 溝道溝道 絕緣柵增強型絕緣柵增強型 N溝道溝道 P 溝道溝道絕緣柵耗盡型絕緣柵耗盡型 N溝道溝道 P 溝道溝道D極與極與S極一般可交換使用極一般可交換使用溫度特性溫度特性多子擴散、少子漂移多子擴散、少子漂移 多子漂移多子漂移 輸入量輸入量電流輸入電流輸入電壓輸入電壓輸入噪聲噪聲較大較大較小較小控制控制電流控制電流源電流控制電流源 CCCS( )電壓控制電流源電壓控制電流源 vCCS(gm)溫度

18、特性溫度特性 受溫度影響較大受溫度影響較大 受溫度影響較小并有零溫度系數(shù)點受溫度影響較小并有零溫度系數(shù)點 輸入電阻輸入電阻 幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上 集成工藝集成工藝 不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成 第29頁/共33頁第三十頁，共34頁。例例 題題 例例1.5.1 已知各場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖已知各場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖 所示。試分析所示。試分析(fnx)各管子的類型。各管子的類型。 -3V uDS/V uGS=0V -1V -1V -2V 1V uGS=0V iD/mA -2V iD/mA -2V -1V uGS=-4V -3V vDS/V uDS/V iD/mA (a) (b) (c) 圖圖第30頁/共33頁第三十一頁，共34頁。 解解: (a) iD0（或（或uDS0），則該管為），則該管為N溝道溝道(u do)； uGS0，故為，故為JFET（增強型）。（增強型）。 (b) iD0（或（或uDS0），則該管為），則該管為P溝道溝道(u do)； uGS0（或（或uDS0），則該管為），則該管為N溝道溝道(u do)； uGS可正、可負，故為耗盡型可正、可負，故為耗盡型MOS管。管。提示：提示： 場效應(yīng)管工作于恒流區(qū)場效應(yīng)管工