1、第七 章 结型场效应晶体管讨论主题：n1.场效应晶体管介绍n2.JFET工作原理n3.JFET的直流特性n4.绝缘栅场效应晶体管1.场效应晶体管介绍n什么是场效应管?场效应晶体管【Field Effect Transistor缩写(FET)】简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.DS电流电场1965年，按照摩尔老先生在文章中提出，芯片上集成的晶体管数量大约每18个月就将翻一番。1971年，Intel发布了第一个微处理器4004。4004采用10微米工艺生产，仅包含2300多个晶体管，时钟频率为108KHz。1974年，主频为2MHz的8位微处理器8
2、080问世，它采用6微米工艺，集成了6000个晶体管。由于它采用了NMOS（N沟道MOS）电路，因此运算速度比8008快10倍，后者采用了PMOS（P沟道MOS）电路。之后，在1978年Intel又陆续推出了8086处理器，这时工艺已经缩减为3微米工艺，含2.9万个晶体管，频率有4.77MHz、8MHz和10MHz。到了1983年，Intel首次推出了新型处理器286，它含有13.4万个晶体管，频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。随后1985年，推出了386处理器，含27.5万个晶体管，频率为1633MHz，具备初级多任务处理能力）等处理器。1989年，Intel发布了486
3、处理器。这款经过4年开发和3亿美金投入的处理器首次突破了100万个晶体管大关，主频也从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz、66MHz，此时，处理器工艺已经全面采用了1微米工艺，并且在芯片内集成了125万个晶体管，这时芯片内的晶体管数量已经超过了Intel 4004处理器内晶体管数量的五百倍。直到1993年，采用800纳米的奔腾（Pentium）的出世，让CPU全面从微米时代跨入了纳米时代。奔腾含有310万个晶体管，代表型号有Pentium 60（60MHz）和Pentium 66（66MHz）。此后，Intel又推出了奔腾75MHz120MHz，制造工艺则提高到500纳米，
4、此后CPU发展直接就跳转至350nm工艺时代。Pentium MMX,Intel于1996年发明在0.35微米工艺的帮助下，工作频率突破了200MHz0.35um0.25um0.18um1997-2002（.35&.25&.18时代）0.13um2002年0.045um2008年0.09um双极型晶体管和场效应晶体管的异同：对比双极和FET:速度,功耗,应用,工艺水平,控制方式(电压/电流).场效应管的分类:n场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类n按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.n按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型
5、的。2.JFET基本原理SDG理想对称结构结型场效应晶体管理想对称结构结型场效应晶体管JFETJ:junctionF:fieldE:effectT:transistorMetalP+-SiN-SiN+-SiSDN沟道沟道JFET正常状态下的偏置方式正常状态下的偏置方式 P+N P+GIDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSatIDS/mAVGS/VVPIDSS转移特性与输出转移特性与输出特性密切相关特性密切相关N管：管：VP0当当VGS=VP沟道被夹断沟道被夹断0.7VGS=0 VDS很小很小SD P+N P+GS P+N P+GPVGS=0 VDS
6、=VDSatDVGS=0 VDSVDSatSD P+N P+GP3.直流特性1.PN节空间电荷区宽度和电压关系2.开始导通和饱和的原理定义夹断电压:在源漏电压为0时,使沟道完全闭合的电压qNVXD02022aqNVDpn导通栅源阈值电压:n饱和漏源电压:022aqNVVVDPTGS020222aqNVVVVVaqNVVVVDGSPGSDsatDSDPDSGSGDDsatVTV饱和区工作条件:02020202022222.22.1aqNVVaqNaqNVVaqNVVVVVaqNVVVDDSGSDDDSGSDGSDSPGSDSDGSTGS非饱和区工作条件:DSDGSDDSGSDGSDSPGSDSD
7、GSTGSVaqNVaqNVVaqNVVVVVaqNVVV02020202222.22.1n非饱和区电流公式：232300232GSDGSDDSDDSDVVVVVqNaVGILNaWqGDn20其中其中是两个冶金结间形成沟道之是两个冶金结间形成沟道之电导电导VD是结接触电势差是结接触电势差2lniDADnNNqkTVn饱和电流公式：2100231PGSBJPGSBJDSSDsatVVVVVVIILNWqaIDnDSS02233其中其中是最大饱和漏极电流是最大饱和漏极电流是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结是本征夹断电压，漏源电压为零时栅结耗尽层穿通整个沟道所需的栅源电位差耗尽层穿通整个沟道所需的
8、栅源电位差0202aqNVDPn最大饱和电流：LNWqaIDnDSS022330BJGSVV节压降为PNVBJ:212121001GSBJGSBJDSPmVVVVVVGg跨导定义跨导定义：非饱和区跨导非饱和区跨导：21001PGSBJmsVVVGg饱和区跨导饱和区跨导：LWqNaGgDnm20max最大饱和区跨导最大饱和区跨导：常数DSVGSDSmVIg最小沟道电阻最小沟道电阻Rmin0min12)(2GaWNqLWxaNqLRIVRDnDDnDSDS时，当00DSGSVV从输出特性看几个参数IDS/mAVDS/V非非饱饱和和区区饱和区饱和区击击穿穿区区VGS=0abcVDSat=7vVGS=
9、-1VGS=-2VGS=-3总结n对比双极晶体管和场效应晶体管n理解理解JFET的工作原理n掌握掌握JFET工作在不同区域的条件，以及夹断电压的定义n了解了解JFET的电流公式，饱和电流公式，最大饱和电流公式，最大跨导公式（电阻），以及影响它们的条件4 4、绝缘栅型场效应晶体管、绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理n场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：Meta
10、l Oxide Semiconductor Filed Effect Metal Oxide Semiconductor Filed Effect TransistorTransistor，缩写为，缩写为MOSFET MOSFET n场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理2SiODSGBNNAl栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底结构图结构图 它是以它是以块掺杂浓度较低的块掺
11、杂浓度较低的P P型硅半导体作为衬底、利型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N N+型区，同时在型区，同时在P P型型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属导线引出三个金属导线引出三个电极，分别作为源极电极，分别作为源极(S)(S)、漏极、漏极(D)(D)和栅极（和栅极（G G）。）。S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理n基本上不需要信号源提供电流基本上不需要信号源提供电流n输入阻抗很高（可达输入阻抗很高（可达1010
12、9 910101515）n受温度和辐射等外界因素影响小，制造工受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；艺简单、便于集成化等；n只有多数载流子参与导电，所以又称其为只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管单极性晶体管绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理场效应管的分类场效应管的分类n按封装形式分：塑料封装和金属封装按封装形式分：塑料封装和金属封装n按功率大小分：小功率、中功率和大功率按功率大小分：小功率、中功率和大功率n按频率特性分：低频管、中频管和高频管按频率特性分：低频管、中频管和高频管n按结构特点分：结型（按结构特点分：结型（JFETJ
13、FET）和绝缘栅型（）和绝缘栅型（IGFETIGFET）n按导电沟道的不同还可分为：按导电沟道的不同还可分为：N N沟道和沟道和P P沟道，而绝沟道，而绝缘栅型又可细分为缘栅型又可细分为N N沟道增强型和耗尽型，沟道增强型和耗尽型，P P沟道增沟道增强型和耗尽型两种。强型和耗尽型两种。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管结构及符号 它是以块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。2SiO
14、DSGBNNAl栅极栅极P型硅衬底型硅衬底源极源极漏极漏极衬底衬底 结构图结构图S 源极源极B 衬底衬底D 漏极漏极G栅极栅极符号图符号图绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理n绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。小。N N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理1.UGS=01.UGS=0时，没有导电沟道时，没有导电沟道GSD绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理 当栅源
15、短路当栅源短路(即栅源电压即栅源电压U UGSGS=0=0时，源区时，源区(N(N+型型)、衬底衬底(P(P型型)和漏区和漏区(N(N+型型)形成两个背靠背约形成两个背靠背约PNPN结，结，不管不管E ED D的极性如何，其中总有一个的极性如何，其中总有一个PNPN结是反偏。结是反偏。如果源极如果源极S S与衬底相连接地，漏极接电源的正极，与衬底相连接地，漏极接电源的正极，那么漏极与衬底之间的那么漏极与衬底之间的PNPN结果也是反偏的，所以结果也是反偏的，所以漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流I ID D=0(=0(相当于漏源之间的电阻很大相当于漏源之
16、间的电阻很大)。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理 当栅源之间加反向电压当栅源之间加反向电压(栅极接正极，源极接负栅极接正极，源极接负极极)，则栅极，则栅极(铝层铝层)和和P P型型硅片相当于以二氧化硅为硅片相当于以二氧化硅为介质的平行板电容器，在介质的平行板电容器，在栅源电压作用下，产生一栅源电压作用下，产生一个垂直于半导体表面的由个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。栅极指向衬底的电场。2.U2.UGSGSUUGSGS（thth）时，出现时，出现N N沟道沟道绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理 当栅源电压当栅源电压U UG
17、SGS达到一定数值达到一定数值时。这些电子在栅极附近的时。这些电子在栅极附近的P P型硅型硅片表面形成一个片表面形成一个N N型薄层，将漏极型薄层，将漏极和源极沟通，称为和源极沟通，称为N N沟道。由于此沟道。由于此沟道是由栅源电压感应产生的，沟道是由栅源电压感应产生的，所以又称为感生沟通，如图所示。所以又称为感生沟通，如图所示。另一方面，由于它与另一方面，由于它与P P型衬底型别型衬底型别相反，所以，又称它为反型层。相反，所以，又称它为反型层。显然，栅源电压愈强，感生沟道显然，栅源电压愈强，感生沟道（反型层）愈厚，沟道电阻愈小。（反型层）愈厚，沟道电阻愈小。这种在这种在U UGSGS=0=0
18、时没有导电沟道，而时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压才能形成感生必须依靠栅源电压才能形成感生沟道的场效应管，称为增强型绝沟道的场效应管，称为增强型绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理 一旦出现了感生沟一旦出现了感生沟道，原来被道，原来被P P型衬底隔开型衬底隔开的两个的两个N N+型区型区(源极和漏源极和漏极极)，就被感生沟道连在，就被感生沟道连在一起了。因此，在漏源一起了。因此，在漏源电压的作用下，将有漏电压的作用下，将有漏极电流极电流I ID D产生。一般把在产生。一般把在漏源电压作用下开始导漏源电压作用下开始导电的栅源电压，叫开
19、启电的栅源电压，叫开启电压电压U UGSGS（thth）。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理结构工作原理 增强型场效应管只有在只有在增强型场效应管只有在只有在U UGSGS U UGSGS（thth）时，调节时，调节U UGSGS，改变导电沟道的厚度，从而在相，改变导电沟道的厚度，从而在相同的同的U UDSDS 作用下，有效的控制漏极电流作用下，有效的控制漏极电流I ID D的大小。的大小。工作原理总结工作原理总结绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线特性曲线 转移特性转移特性 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的转移特性如图的转移特性如图所示。
20、其主要特点为：所示。其主要特点为：(1)(1)当当u uGSGSUU UGSthGSth时，时，i iD D 0 0，u uGSGS越大，越大，i iD D也随之增大，二者符合平方律关系，也随之增大，二者符合平方律关系，如下式所示。如下式所示。2)(2GSthGSoxnDUuLWCui N 沟道增强型沟道增强型 MOSFET的转移特的转移特性性绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线特性曲线-输出特性输出特性 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的输出特性如图所示。它分为恒流的输出特性如图所示。它分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：区、可变电阻区、截止区和
21、击穿区。其特点为：（1 1）夹断区（截止区）夹断区（截止区）当当U UGSGS U UGSGS（thth）时，反型层导时，反型层导电沟道被完全夹断，电沟道被完全夹断，I ID D=0=0，场，场效应管处于截止状态。效应管处于截止状态。(2)(2)可变电阻区可变电阻区 在此区域内，在此区域内，U UDSDS很小，导很小，导电沟道主要受电沟道主要受U UGSGS的控制。的控制。绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线特性曲线 当当U UDSDS较大时，出现夹断区，较大时，出现夹断区，I ID D趋于饱和。趋于饱和。(3)(3)恒流区恒流区 在一定的在一定的UGSUGS下，当下，当UDSU
22、DS增大道一定程度时，漏极增大道一定程度时，漏极电流急剧增加，称为场效应管被击穿。电流急剧增加，称为场效应管被击穿。(4)(4)击穿区击穿区绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-主要参数主要参数 当当U UDSDS为某一固定数值时，使沟道将漏、源极连结起来为某一固定数值时，使沟道将漏、源极连结起来的最小的栅源电压的最小的栅源电压U UGSGS就是开启电压就是开启电压U UGSGS（thth）它只适用于它只适用于增强型场效应管。增强型场效应管。u开启电压开启电压U UGSGS（thth）最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升，发生雪最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升，发生雪崩击穿时所对应的崩
23、击穿时所对应的U UDSDS值。值。u最大漏源电压最大漏源电压绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线特性曲线|DSDmUconstGSIgU 在在UDSUDS常数时，漏极电流的微变量与引起这个微变量常数时，漏极电流的微变量与引起这个微变量的栅源电压的微变量之比称为跨导，即的栅源电压的微变量之比称为跨导，即u低频跨导低频跨导g gm m 场效应管的耗散功率等于场效应管的耗散功率等于U UDSDS和和I ID D的乘积，这些耗散在管子的乘积，这些耗散在管子中的功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温中的功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高就要限制它的耗散功率不能超过最大值度不要升得太高就要限制它的耗散功率不能超过最大值P PDSMDSM。显然，显然，P PDSMDSM受管于的最高工作温度的限制。受管于的最高工作温度的限制。u漏极最大耗散功率漏极最大耗散功率P PDSMDSMDDSDSMIUP
