第1章-常用半导体器件2课件.ppt

1、绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管第四节第四节场效应晶体管简称场效应管，用场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示来表示 （Field Effect Transistor）。）。分分增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类：各类又分两类：各类又分NMOS和和 PMOS两种两种增强型增强型N沟道示意图沟道示意图 耗尽型耗尽型N沟道示意图沟道示意图 NMOS（E）GDSBNMOS（D）GSDBP衬底NN源极源极 栅极栅极 漏极漏极S G D B 基底基底SiO2+P衬底NN源极源极 栅极栅极 漏极漏极 S G D B 基底基底SiO2N沟道沟道一、绝缘栅场效应管一、绝缘栅场效应管IGFE

2、T（MOS）（一）（一）N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结构和工作原管的结构和工作原理理第四节第四节P衬底NNS G D UGSUDSBID耗尽区耗尽区+-GDSBIDUDSUGS反型反型层层工作状态示意图工作状态示意图1、工作原理、工作原理绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通绝缘栅场效应管是利用电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏道的宽窄，从而控制漏-源极间电流的大小。源极间电流的大小。第四节第四节2、特性曲线与电流方程、特性曲线与电流方程（1）输出特性）输出特性输出特性是指输出特性是指uGS为一固定值时，为一固定值时，iD与与uDS之之间的关系，即间的关系，即:常数GSD

3、SD)(uufi输出输出特性特性分为分为三个三个区：区：可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区第四节第四节可变电阻区（非饱和区）可变电阻区（非饱和区）区区对应预夹断前，对应预夹断前，uGSUGS(th)，uDS很小，很小，uGD UGS(th)的情况。的情况。若若uGS不变，沟道电阻不变，沟道电阻rDS不变，不变，iD随随uDS的增大的增大而线性上升。而线性上升。uGS变大，变大，rDS变小，变小，看作由电压看作由电压uGS控制的可控制的可变电阻。变电阻。24 68 10 12 14 161234560uGS=6V435uDS(V)iD(mA)2第四节第四节 恒流区恒流区（饱和区）饱和区

4、）区区对应对应 预夹断后预夹断后,uGS UGS(th)，uDS很大，很大，uGD0时时感生沟道加宽，感生沟道加宽，iD增大。增大。感生沟道变窄，感生沟道变窄，iD减小。减小。当当uGS达到某一负电压值达到某一负电压值UGS(off)时，抵消了由时，抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消失，正离子产生的电场，导电沟道消失，iD0，UGS(off)称为夹断电压。称为夹断电压。当当uGS0时时第四节第四节输出特性输出特性转移特性转移特性2 4 6 8 101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UG

5、S(off)IDSSuDS=10V2.特性曲线特性曲线第四节第四节2.特性曲线特性曲线预夹断轨迹方程：预夹断轨迹方程：GS(off)GSDSUuu转移特性曲线方程：转移特性曲线方程：2GS(off)GSDSSD1）（UuIi其中其中IDSS是是uGS=0时的时的iD值，称为值，称为零偏漏级零偏漏级电流电流，也称，也称饱和漏极电流饱和漏极电流。第四节第四节二、结型场效应管二、结型场效应管JFET(Junction Field Effect Transistor)两个两个P+区中间的区中间的N型半导体，在加上正向型半导体，在加上正向uDS电压时就有电流流过，故称为电压时就有电流流过，故称为N沟道。

6、沟道。S-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NPS-源极源极g-栅极栅极d-漏极漏极NP第四节第四节当当uGS=0时，就有导电沟道存在，故而这时，就有导电沟道存在，故而这种管子也属于耗尽型场效应管。种管子也属于耗尽型场效应管。sdgVDDVGGP沟道沟道uGSuDSiDNsgdN沟道结型场效应管沟道结型场效应管第四节第四节sdgVGGPuGS改变改变uGS的大小，就可以的大小，就可以改变沟道宽窄，即改变改变沟道宽窄，即改变沟道的电阻，从而控制沟道的电阻，从而控制iD的大小。这与绝缘栅场的大小。这与绝缘栅场效应管是一样的。效应管是一样的。dN沟沟道道空间电荷区空间电荷区sgPuGS=0sdgVGG

7、PuGSUP uGS UPuGD=UPuGDUPuDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响VGGsdgVDDsdgVDDVGG随着随着uDS增大，增大，PN结加宽，将结加宽，将产生预夹断。产生预夹断。UP 0，则两个，则两个PN结结是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，是正向偏置，将会产生很大的栅极电流，有可能损坏管子。有可能损坏管子。IDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1uDS(V)iD(mA)-41234特性曲线特性曲线第四节第四节三、三、N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的主要参数管的主要参数直流参数直流参数交流参数交流参数极限参数极限参数第四节第

8、四节 1.直流参数直流参数（2）直流输入电阻）直流输入电阻RGS（1）开启电压）开启电压UGS(th)在衬底表面感生出导电沟道所需的栅源电压。在衬底表面感生出导电沟道所需的栅源电压。实际上是在规定的实际上是在规定的uDS条件下，增大条件下，增大uGS，当，当iD达到规定的数值时所需要的达到规定的数值时所需要的uGS值。值。在在uDS=0的条件下，栅极与源极之间加一定直的条件下，栅极与源极之间加一定直流电压时，栅源极间的直流电阻。流电压时，栅源极间的直流电阻。RGS的值很的值很大，一般大于大，一般大于 。910增强型增强型MOS管管第四节第四节实际测量时，是在规定的实际测量时，是在规定的uDS条

9、件下，使条件下，使iD减小到规定的微小值时所需的减小到规定的微小值时所需的uGS值。值。（3）夹断电压）夹断电压UGS(off)是指导电沟道完全夹断时所需的栅源是指导电沟道完全夹断时所需的栅源电压。电压。耗尽型耗尽型MOS管管第四节第四节该电流为该电流为uDS在恒流在恒流区范围内，且区范围内，且uGS=0v时的时的iD值，值，亦称饱和漏极电流。亦称饱和漏极电流。（4）零偏漏极电流）零偏漏极电流IDSS它反映了零栅压时原它反映了零栅压时原始沟道的导电能力。始沟道的导电能力。iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UGS(off)IDSSuDS=10V耗尽型耗尽型MOS管管

10、第四节第四节2.交流参数交流参数定义：当定义：当uDS一定时，漏极电流变化量与引起一定时，漏极电流变化量与引起这一变化的栅源电压变化量之比，即这一变化的栅源电压变化量之比，即常数DSGSDmuuiggm相当于转移特性的斜率，反映了场效应管相当于转移特性的斜率，反映了场效应管的放大能力。它可以从输出特性上求出，或的放大能力。它可以从输出特性上求出，或根据转移特性的表达式求导数得到。根据转移特性的表达式求导数得到。（1）跨导）跨导gm第四节第四节2.交流参数交流参数栅、源极间电容栅、源极间电容Cgs和栅、漏极间电容和栅、漏极间电容Cgd，它影响高频性能的交流参数，应越小越好。它影响高频性能的交流参

11、数，应越小越好。第四节第四节（2）极间电容）极间电容3.极限参数极限参数是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指场效应管工作时，允许的最大漏极电流。是指管子允许的最大耗是指管子允许的最大耗散功率，相当于双极型散功率，相当于双极型晶体管的晶体管的PCM。2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3（1）漏极最大允许电流）漏极最大允许电流IDM（2）漏极最大耗散功率）漏极最大耗散功率PDMDSDDMuiPDMI在输出特性上画出临界最大在输出特性上画出临界最大功耗线。功耗线。第四节第四节是指在是指在uDS=0时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很时，栅源极间绝缘

12、层发生击穿，产生很大的短路电流所需的大的短路电流所需的uGS值。击穿将会损坏管子。值。击穿将会损坏管子。是指在是指在uDS增大时，使增大时，使iD开始急开始急剧增加的剧增加的uDS值。值。（3）栅源极间击穿电压）栅源极间击穿电压U(BR)GS（4）漏源极间击穿电压）漏源极间击穿电压U(BR)DSU(BR)DS此时不仅产生沟道中的电子参此时不仅产生沟道中的电子参与导电，空间电荷区也发生击与导电，空间电荷区也发生击穿，使电流增大。穿，使电流增大。DSDDMuiPDMI2 4 6 8 1012 14 160uGS=7V546uDS(V)iD(mA)3第四节第四节四、场效应管的特点四、场效应管的特点场

13、效应管与双极型晶体管相场效应管与双极型晶体管相比：比：（）（）场效应管中场效应管中，导电过程是多数载流子，导电过程是多数载流子的漂移运动，故称为单极型晶体管；的漂移运动，故称为单极型晶体管；双极型双极型晶体管晶体管中既有多子的扩散运动又有少子的漂中既有多子的扩散运动又有少子的漂移运动。移运动。（）（）场效应管场效应管是通过栅极电压是通过栅极电压uGS来控制漏来控制漏极电流极电流iD，称为电压控制器件；，称为电压控制器件；双极型晶体管双极型晶体管是利用基极电流是利用基极电流iB（或射极电流（或射极电流iE）来控制集）来控制集电极电流电极电流iC，称为电流控制器件。，称为电流控制器件。第四节第四节

14、（）（）场效应管场效应管的输入电阻很大；的输入电阻很大；晶体管晶体管的的输入电阻输入电阻 较较 小。小。第四节第四节（）（）场效应管场效应管的跨导的跨导gm的值较的值较 小，小，双极双极型晶体管型晶体管的的值很大。在同等条件下，场效应值很大。在同等条件下，场效应管的放大能力不如晶体管高。管的放大能力不如晶体管高。（）（）结型场效应管结型场效应管的漏极和源极可以的漏极和源极可以互换使用，互换使用，MOS管管如果衬底没有和源极如果衬底没有和源极接在一起，也可将接在一起，也可将d、s极互换使用；极互换使用；双级型晶体管双级型晶体管的的c和和e极互换则称为倒极互换则称为倒置工作状态，此时置工作状态，此

15、时将变得非常小。将变得非常小。（6）场效应管场效应管可作为压控电阻使用。可作为压控电阻使用。第四节第四节(7）场效应管场效应管是依靠多子是依靠多子导电，因此具有较好的温导电，因此具有较好的温度稳定性、抗辐射性和较度稳定性、抗辐射性和较低的噪声。低的噪声。由图可见，不同温度下的由图可见，不同温度下的转移特性的交点转移特性的交点Q（即工（即工作点）的作点）的ID、UDS几乎不受几乎不受温度影响。温度影响。晶体管晶体管的温度稳定性差，的温度稳定性差，抗辐射及噪声能力也较低。抗辐射及噪声能力也较低。Q+125+25T=-55iD(mA)uGS(V)uDS=10V第四节第四节本本 节节 要要 点点场效应

16、管是利用栅场效应管是利用栅-源极外加电压源极外加电压uGS产生的电产生的电场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏场效应来改变导电通道的宽窄，从而控制漏-源极间电流源极间电流iD的大小，可将的大小，可将iD看作由电压看作由电压uGS控控制的电流源。制的电流源。场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。它的主要参数有工作区域。它的主要参数有gm、UGS(th)或或UGS(off)、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和极间电容。和极间电容。第四节第四节1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管2 4 6 8 101214161234560uGS=6V4

17、35uDS(V)iD(mA)uGS(V)iD(mA)0uDS=10V1 2 3 4 56UGS(th)输出特性输出特性转移特性转移特性第四节第四节输出特性输出特性转移特性转移特性2 4 6 8 101214160uGS=0V1-12uDS(V)iD(mA)-224681012iD(mA)012345-1-2-324681012uGS(V)UGS(off)IDSSuDS=10V2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管第四节第四节3.N沟道结型场效应管沟道结型场效应管-uGS(V)iD(mA)0uDS=10VUGS(off)IDSS2 4 6 8 101214161234560uGS=0V-2-3-1

18、uDS(V)iD(mA)-41234第四节第四节输出特性输出特性转移特性转移特性本本 章章 小小 结结本章首先介绍了半导体的基础知识，然后本章首先介绍了半导体的基础知识，然后阐述了半导体二极管、双极型晶体管（阐述了半导体二极管、双极型晶体管（BJT）和场效应管（和场效应管（FET）的工作原理、特性曲）的工作原理、特性曲线和主要参数。线和主要参数。第一章第一章一、一、PN结结在本征半导体中掺入不同杂质就形成在本征半导体中掺入不同杂质就形成N型半型半导体与导体与P型半导体，控制掺入杂质的多少就型半导体，控制掺入杂质的多少就可有效地改变其导电性，从而实现导电性能可有效地改变其导电性，从而实现导电性能

19、的可控性。的可控性。1.杂质半导体杂质半导体第一章第一章载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的载流子有两种有序的运动：因浓度差而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。为漂移运动。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗将两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，扩散运动和漂片）上，在它们的交界面处，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，从而形成移运动达到动态平衡，从而形成PN结。结。正确理解正确理解PN结单向导电性、反向击穿特性、结单向导电性、反向击

20、穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。和参数。2.PN结结第一章第一章二、半导体二极管二、半导体二极管一个一个PN结经封装并引出电极后就构成二极管。结经封装并引出电极后就构成二极管。二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂和电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小；体现出单向导电性。移电流，其数值很小；体现出单向导电性。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电特殊二极管与普通二极

21、管一样，具有单向导电性。利用性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管。结击穿时的特性可制成稳压二极管。IF、IR、UR和和fM是二极管的主要参数。是二极管的主要参数。第一章第一章三、晶体管三、晶体管晶体管具有电流放大作用。晶体管具有电流放大作用。当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流iC，体现出，体现出iB（或（或iE，uBE）对

22、）对iC的控制作用。的控制作用。此时，可将此时，可将iC看作为电流看作为电流iB控制的电流源。控制的电流源。第一章第一章三、晶体管三、晶体管晶体管的输入特性和输出特性表明各级之间晶体管的输入特性和输出特性表明各级之间电流与电压的关系，电流与电压的关系，、ICBO（ICEO）、）、ICM、U(BR)CEO、PCM和和fM是它的主要参数。是它的主要参数。晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子在不同工作区的外学习时应特别注意使管子在不同工作区的外部条件。部条件。第一章第一章四、场效应管四、场效应管场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种场效

23、应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道：类型均分为两种不同的沟道：N沟道和沟道和P沟道，沟道，而而MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。管又分为增强型和耗尽型两种形式。场效应管工作在恒流区时，利用栅场效应管工作在恒流区时，利用栅-源之间外源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流iD。此时，可将此时，可将iD看作由电压看作由电压uGS控制的电流源，控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。转移特性曲线描述了这种控制关系。第一章第一章四、场效应管四、场效应管gm、UT或或UP、IDSS、IDM、U(BR)DS、PDM和和极间电容是它的主要参数。极间电容是它的主要参数。和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流和晶体管类似，场效应管有截止区、恒流区和可变电阻区三个工作区域。区和可变电阻区三个工作区域。第一章第一章