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

1、第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件11.5 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管思考的問題：思考的問題： 三極管（三極管（BJTBJT）工作時，總是從）工作時，總是從信號源吸取電流信號源吸取電流, ,它是一種電流控制它是一種電流控制型的器件，輸入阻抗較低。型的器件，輸入阻抗較低。 那么，場效應(yīng)管（那么，場效應(yīng)管（FETFET）是通過）是通過什么方式來控制的？有什么特點？什么方式來控制的？有什么特點？第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)2 場效應(yīng)管晶體管（場效應(yīng)管晶體管（Field Effect TransistorField Ef

2、fect Transistor，F(xiàn)ETFET）是利用是利用電場效應(yīng)電場效應(yīng)來控制的有源器件，在來控制的有源器件，在集成電路（集成電路（ICIC）以以及微波電路中得到廣泛應(yīng)用。及微波電路中得到廣泛應(yīng)用。1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)半導(dǎo)體管的特點半導(dǎo)體管的特點: : 體積小體積小 重量輕重量輕 耗電省耗電省 壽命長壽命長 FETFET的特點的特點: : 輸入電阻高輸入電阻高（MOSFETMOSFET最高可達最高可達10101515） 噪聲系數(shù)低噪聲系數(shù)低 熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好 工作頻率高工作頻率高 抗輻射能力強抗輻射能力強 制造工藝簡單制造工藝簡單 第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章

3、常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)31.5 場效應(yīng)場效應(yīng) 場效應(yīng)晶體管屬于單極型晶體管。場效應(yīng)晶體管屬于單極型晶體管。 按照結(jié)構(gòu)特點，場效應(yīng)晶體管可分兩大類：按照結(jié)構(gòu)特點，場效應(yīng)晶體管可分兩大類：l 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管 （Insulated Gate Field Effect TransisterInsulated Gate Field Effect Transister，IGFETIGFET）l 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 （Junction Field Effect Transister,JFETJunction Field Effect Transister,J

4、FET）第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件41.5.1 1.5.1 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管(Insulated Gate Field Effect (Insulated Gate Field Effect TransisterTransister，IGFET)IGFET)，多為，多為金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)管，半導(dǎo)體場效應(yīng)管， ( Metal( Metal OxideOxide Semiconductor Field Effect TransisterSemiconductor Field Effect Transis

5、ter，MOSFET MOSFET 或或 MOSMOS管管) )。第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)51 N1 N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)P型襯底BSiO2N+N+SDG 以以P型半導(dǎo)體為襯底，用型半導(dǎo)體為襯底，用B表示。表示。氧化生成一層氧化生成一層SiO2 薄膜絕緣層。薄膜絕緣層。用光刻工藝腐蝕出兩個孔。用光刻工藝腐蝕出兩個孔。擴散兩個高摻雜的擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，形成兩個型區(qū)，形成兩個PN結(jié)結(jié)。從從N型區(qū)引出電極，一個是型區(qū)引出電極，一個是漏極漏極D(Drain，相當于，相當于C)，一

6、個是，一個是源極源極S(Source，相當于，相當于E)。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極柵極G(Grid，相當于，相當于B)。第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)61 N1 N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柵極柵極G G相當于相當于B B漏極漏極D D相當于相當于C C源極源極S S相當于相當于E EDGSBDGSBP型襯底BSiO2N+N+SDG襯底在內(nèi)部與源極相連襯底在內(nèi)部與源極相連襯底未與源極相連，襯底未與源極相連，D D與與S S可互換

7、?？苫Q。第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)72 N2 N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 柵源電壓柵源電壓UGS對溝道會產(chǎn)生影響對溝道會產(chǎn)生影響 漏源電壓漏源電壓UDS對溝道產(chǎn)生影響對溝道產(chǎn)生影響 1柵源電壓柵源電壓UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負離子+ 先令漏源電壓先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。以后并不斷增加。 UGS帶給柵極正電荷，將正對帶給柵極正電荷，將正對SiO2層的層的表面下的襯底中的

8、空穴推走，形成一層負表面下的襯底中的空穴推走，形成一層負離子層，即離子層，即耗盡層耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。，用綠色的區(qū)域表示。 同時在柵極下的表層感生電子，當電子數(shù)同時在柵極下的表層感生電子，當電子數(shù)量較多時，在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。量較多時，在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。 溝道中的電子和溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為相反，稱為反型層反型層。此時若加上。此時若加上UDS ，就會，就會有漏極電流有漏極電流ID產(chǎn)生。產(chǎn)生。反型層反型層第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)82 N2 N溝道增強型溝

9、道增強型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 1柵源電壓柵源電壓UGS的控制作用的控制作用SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負離子+ 顯然改變顯然改變UGS就會改變溝道，從而影就會改變溝道，從而影響響ID ，這說明，這說明UGS對對ID的控制作用的控制作用。 當當UGS較小時，不能形成有效的溝較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有道，盡管加有UDS ，也不能形成，也不能形成ID 。當增加當增加UGS，使，使ID剛剛出現(xiàn)時，剛剛出現(xiàn)時，對應(yīng)的對應(yīng)的UGS稱為稱為開啟電壓開啟電壓，用用UGS(th)或或UT表示。表示。反型層反型層0DSU 柵源電壓柵源電壓UGS對溝

10、道會產(chǎn)生影響對溝道會產(chǎn)生影響 漏源電壓漏源電壓UDS對溝道產(chǎn)生影響對溝道產(chǎn)生影響第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)9 2漏源電壓漏源電壓UDS的控制作用的控制作用 設(shè)設(shè)UGSUGS(th)，增加，增加UDS，溝道將發(fā)生變化。，溝道將發(fā)生變化。SDGPN+N+SiO2型襯底DSU+GSUGS(th)U空穴正離子電子負離子 顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因為影響，因為源極和襯底相連接源極和襯底相連接，所以加入所以加入UDS后，后， UDS將沿漏到源將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底逐漸降落在溝道內(nèi)，漏

11、極和襯底之間反偏最大，之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。結(jié)的寬度最大。所以加入所以加入UDS后，在漏源之間會形后，在漏源之間會形成一個傾斜的成一個傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。溝道的導(dǎo)電性。 當當UDS進一步增加，進一步增加， ID不斷增不斷增加加,同時，漏端的耗盡層上移，在同時，漏端的耗盡層上移，在漏端出現(xiàn)夾斷，稱為漏端出現(xiàn)夾斷，稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷預(yù)夾斷 當當UDS進一步增加時，進一步增加時， 漏端的漏端的耗盡層向源極伸展，此時耗盡層向源極伸展，此時ID基本基本不再增加，增加的不再增加，增加的UDS基本上降落基本上降落在夾斷區(qū)。此時在夾斷區(qū)。此時ID只受只受UGS控

12、制，控制，進入進入線性放大區(qū)線性放大區(qū)。DI第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)10N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的特性曲線的特性曲線l 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特性曲線特性曲線l 漏極輸出漏極輸出特性曲線特性曲線第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)111)1) N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的的轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N溝道增強型溝道增強型MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性曲線如

13、左圖所示，它轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明是說明柵源電壓柵源電壓UGS對漏極電對漏極電流流ID的控制關(guān)系，可用這個關(guān)的控制關(guān)系，可用這個關(guān)系式來表達，這條特性曲線稱系式來表達，這條特性曲線稱為為轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線。第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)121)1) N N溝道增強型溝道增強型MOSFETMOSFET的的轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。的控制作用。 g

14、m稱為稱為跨導(dǎo)跨導(dǎo)，是場效應(yīng)，是場效應(yīng)三極管的重要參數(shù)。三極管的重要參數(shù)。constGSDmDSUUIg單位單位mS（mA/V）第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)132) 漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線 當當UGSUGS(th)時，時，ID=f(UDS) UGS=const稱為稱為漏極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線。 FET作為放大元件使用時，工作在恒流區(qū)，作為放大元件使用時，工作在恒流區(qū)，UDS對對ID的的影響很小。但是影響很小。但是UGS對對ID的控制作用的控制作用很明顯。很明顯。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA

15、/15105DSU/V恒流區(qū).曲線分五個區(qū)域：曲線分五個區(qū)域：（1 1）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū)（2 2）恒流區(qū)（放大區(qū)）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3 3）截止區(qū)）截止區(qū)（4 4）擊穿區(qū)）擊穿區(qū)（5 5）過損耗區(qū)）過損耗區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū)過損耗區(qū)過損耗區(qū)第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)14OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流區(qū).從從漏極輸出特性漏極輸出特性曲線可以得到曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性曲線。曲線。OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU第一章

16、第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)154 N4 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO2型襯底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)在柵極下方的在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。當絕緣層中摻入了一定量的正離子。當UGS=0時，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，時，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。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器

17、件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)164 N4 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO2型襯底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)夾斷電壓夾斷電壓IDSS當當UGS=0時，對應(yīng)的漏極電流用時，對應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。表示。當當UGS0時，時，ID進一步增加。進一步增加。UGS0時，隨著時，隨著UGS的減小的減小ID逐漸減小，直至逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)對應(yīng)ID=0的的UGS稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓，用符號，用符號UGS(off)或或UP表示。表示。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線第一章第一章

18、 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件1.5 場效應(yīng)場效應(yīng)17場效應(yīng)管符號的說明：場效應(yīng)管符號的說明：DGSBDGSBDGSBSGDN溝道增強型溝道增強型MOS管，襯底管，襯底箭頭向里。箭頭向里。漏、襯底和源、漏、襯底和源、分開，表示零柵分開，表示零柵壓時溝道不通。壓時溝道不通。表示襯底在表示襯底在內(nèi)部沒有與內(nèi)部沒有與源極連接。源極連接。N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管。管。漏、襯底和源不漏、襯底和源不斷開表示零柵壓斷開表示零柵壓時溝道已經(jīng)連通。時溝道已經(jīng)連通。 N溝道結(jié)型溝道結(jié)型場效應(yīng)管。場效應(yīng)管。沒有絕緣層。沒有絕緣層。如果是如果是P P溝道，箭頭則向外。溝道，箭頭則向外。第一章第一章 常用半導(dǎo)體器件常用半導(dǎo)體器件18雙極型晶體管雙極型晶體管場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體