《电子线路课件1-4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子线路课件1-4（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.3 半导体场效应管,1.3.1结型场效应管 1.3.2绝缘栅场效应管 1.3.3场效应管的主要参数及电路模型 1.3.4双极型和场效应型三极管的比较,场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。,从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister),2.绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Trans
2、ister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）,1.3.1 结型场效应管,1.结型场效应三极管的结构 JFET的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极， N型硅的一端是漏极，另一端是源极。,结型场效应三极管的结构(动画2-8）,(1) 栅源电压对沟道的控制作用,当uGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当uGS0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏、源间的沟道将变窄，iD将减小，uGS继续减小，沟道继续变
3、窄，iD继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压uGS称为夹断电压UGS(off)。,图1.3.3 uGS对沟道的控制作用（动画2-9）,2. 结型场效应三极管的工作原理,(2) 漏源电压对沟道的控制作用,当uDS增加到使uGD=uGS-uDS=UGS(off)时，在紧靠漏 极处出现预夹断，如图1.3.4(b)所示。当uDS继续增加， 漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。,在栅极加上电压，且uGSUGS(off)，若漏源电压uDS 从零开始增加，则uGD=uGS-uDS将随之减小。使靠近漏 极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从左至右呈楔形分布。,图1.3.4 漏源电压对沟道的控制作用（动画
4、2-9）,(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 图1.3.5 N沟道结型场效应管的特性曲线 动画（2-6） 动画（2-7）,3.结型场效应三极管的特性曲线,1.3.2 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的 绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为 衬底，用符号B表示。,1.N沟道增强型MOSFET (1)结构,N沟道增强型MOSFET是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高
5、掺杂的N型区，从N型区引出电极，,图1.3.7 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）,当栅极加有电压时，若 0uGSUGS(th)时，通过栅极和 衬底间的电容作用，将靠近栅极 下方的P型半导体中的空穴向下 方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，不足以形 成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流iD。,(2)工作原理 栅源电压uGS的控制作用,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,uGS对漏极电流的控制关系可用 iD=f(uGS)uDS=const 这一曲线描述，称为转移
6、特性曲线，见图1.3.10。,进一步增加VGS，当uGSUGS(th) 时( UGS(th) 称为开启电压)，由于此 时的栅极电压已经比较强，在靠近 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流iD。在栅 极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。 (动画2-4）,随着uGS的继续增加，iD将不断增加。在uGS=0V时iD=0，只有当uGSUGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。,图1.3.10 uGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线,转移特性曲线的
7、斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/UGS uDS=const (单位mS),iD=f(uGS)uDS=const,漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用,当uGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电 压uDS对漏极电流iD的影响。uDS的不同变化对沟道的影 响如图1.3.9所示。根据此图可以有如下关系,uDS=uDGuGS =uGDuGS uGD=uGSuDS,当uDS为0或较小时，相当uGSUGS(th)，沟道分布如图1.3.9 (a)，此时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。
8、,图1.3.9(a) 漏源电压VDS对沟道的影响,(动画2-5),当uDS为0或较小时，相当uGSUGS(th)，沟道分布如图1.3.9(a)，此时uDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当uDS增加到使uGS=UGS(th)时，沟道如图1.3.9(b)所示。这相当于uDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断,当uDS增加到uGSUGS(th)时，沟道如图1.3.9(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 uDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本趋于不变。,图1.3.10 漏极输出特性曲线,iD=f(uDS)uGS=const,当uGSUGS(th)，且
9、固定为某一值时， uDS对iD的影响，即iD=f(uDS)uGS=const这一关系曲线如图1.3.10所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。,2.N沟道耗尽型MOSFET,当uGS0时，将使iD进一步增加。uGS0时， 随着uGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0。对 应iD=0的uGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示， 有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特 性曲线如下图所示。,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图 02.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于
10、是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线,3.特性曲线,场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于表1.3.1之中。,各类场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽
11、型,P 沟 道 耗 尽 型,1.3.3 场效应管的主要参数和电路模型,1. 场效应三极管的主要参数 开启电压UGS(th) (或UT) 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于 开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。, 夹断电压UGS(off) (或UP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当uGS=UGS(off) 时,漏极电流为零。, 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当UGS=0时所对应的漏极电流。, 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。, 低频跨导gm 低频跨
12、导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。, 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。,2.电路模型,附录 场效应三极管的型号,场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其 一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场 效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟 道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的
13、序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表02.02。,表02.02 场效应三极管的参数,半导体三极管图片,半导体三极管图片,1.3.4 双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm),双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,
