電路基礎(chǔ)與集成電子技術(shù)場效應(yīng)半導(dǎo)體晶體管PPT課件

1、第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 雙極型晶體管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個 PN 結(jié)組合而成，是一種電流控制電流源器件（CCCS）。 晶體管英文稱為Transister，在中文中稱為晶體管或半導(dǎo)體晶體管。晶體管有兩大類型: 一是雙極型雙極型晶體管(BJT)， 二是場效應(yīng)場效應(yīng)晶體管(FET)。 場效應(yīng)型晶體管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種電壓控制電流源器件（VCCS）。第1頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02NGDSPP4.5.1.1 結(jié)型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu) JFET的結(jié)構(gòu)如圖4.5.1所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造

2、一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道區(qū)圖4.5.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)PN結(jié)域的結(jié)構(gòu)。兩個P區(qū)連在一起即為柵極G，N型硅的一端是漏極D，另一端是源極S。 根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，只能工作在反偏條件下，才沒有柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。N溝道 右上角出現(xiàn)的是符號。4.5.1 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管第2頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.021. 柵源電壓對溝道的控制作用NGDSGSUDSUDIPP0DI4.5.1.2 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理 場效應(yīng)管是一種電壓控制電流源器件，它的漏極電流受柵源電壓UGS和漏源電壓UDS的雙重控制。圖0

3、1.04.02 柵源電壓的控制作用 在漏、源之間加有一固定電壓時，在漏、源間的N型溝道中將產(chǎn)生漏極電流。 當(dāng)UGS繼續(xù)減小時，N溝道將變窄，ID將減小，直至為零。 第3頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 當(dāng)UGS=0，加有一定UDS時，形成的漏極電流稱為漏極飽和電流IDSS。當(dāng)UGS0時，PN結(jié)反偏，ID將減小。OUGSID 當(dāng)uGS0V時，PN結(jié)反偏，耗盡層從上下兩個方向向中間靠攏，溝道將變窄，溝道電阻加大。隨著uGS越來越負(fù)，溝道越來越窄，直至上下合攏，發(fā)生夾斷。 UGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID直至減小為0。當(dāng)ID=0時所對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UGS(o

4、ff)。IDSSUGS(off)第4頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02NGDSGSUDSUPPDI預(yù)加斷預(yù)加斷OUDSIDGSU 圖4.5.3 漏源電壓對溝道的控制作用2. 漏源電壓對溝道的控制作用漏源電壓對溝道的控制作用第5頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 當(dāng)UDS增加到使UGD=UGS- -UDS=UGS(off)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。當(dāng)UDS繼續(xù)增加，漏極處的預(yù)夾斷區(qū)繼續(xù)向源極方向生長延長，直至漏極電流等于0。 在柵極加上電壓，且UGSUGS(off)，若漏源電壓UDS從零開始增加，則UGD=UGS- -UDS將隨之減小(反向電壓增加)

5、。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道從上至下呈楔形分布，如圖4.5.3所示。第6頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 JFET的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場效應(yīng)管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)，以使柵源間反偏，沒有柵流。JFET的特性曲線如圖4.5.4(a)和圖4.5.4(b)所示。4.5.1.3 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線第7頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 圖4.5.4(a) N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的 漏極輸出特性曲線1. 漏

6、極輸出特性曲線漏極輸出特性曲線 結(jié)型場效應(yīng)管的漏極特性曲線是在柵源電壓等于常數(shù)時，漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系曲線。即constDSDGS)(Uufi它分為三個區(qū)域： 1. 可變電阻區(qū)：在預(yù)夾斷軌跡線的左側(cè)，該區(qū)域隨著uDS增加，iD基本線性增加； 2. 恒流區(qū)：在預(yù)夾斷軌跡線的右側(cè)，當(dāng)uGD=UGS-UDS小于夾斷電壓時，是一組平行線； 3. 夾斷區(qū)：導(dǎo)電溝道被夾斷，iD 0。預(yù)夾斷軌跡線可變電阻區(qū)恒 流 區(qū)夾斷區(qū)第8頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02圖4.5.4(b) N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線2. 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特性曲線特性曲線 結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線是cons

7、tGSDDS)(Uufi 因?yàn)閳鲂?yīng)管無柵流，所以用轉(zhuǎn)移特性曲線可以方便地將uGS與iD和UDS組合在一條特性曲線中。耗盡型管的漏極電流iD可用下式表示)0()1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIiIDSSUGS(off)第9頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 場效應(yīng)晶體管有兩種結(jié)構(gòu)形式： 1.絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MOSFET)-增強(qiáng)型 耗盡型 2.結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)-只有耗盡型 場效應(yīng)晶體管在集成電路中被廣泛使用，絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MOSFET)分為增強(qiáng)型和耗盡型兩大類，每類中又有N溝道和P溝道之分。下面以N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管為

8、例來加以說明。4.5.2 絕緣柵場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)晶體管第10頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 場效應(yīng)管場效應(yīng)管分類：分類： 1. 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管N溝道耗盡型溝道耗盡型 2. 絕緣柵場效應(yīng)晶體絕緣柵場效應(yīng)晶體管管P溝道耗盡型溝道耗盡型 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道第11頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02P型襯底BSiO2N+N+SD 取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用B表示。 用氧化工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。 然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。 擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個PN結(jié)。（

9、綠色部分） 從N型區(qū)引出金屬電極，一個是漏極D，一個是源極S。 在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。 1. N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu)G圖4.5.5(a) N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)4.5.2.1 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管第12頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 N溝道增強(qiáng)型MOS管的符號如上圖所示。左面的一個襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個沒有連接，使用時需要在外部連接。DGSBDGSB圖4.5.5(b) N溝道增強(qiáng)型MOS管的符號第13頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 2. N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理管

10、的工作原理 分兩個方面進(jìn)行討論： 一是柵源電壓UGS對溝道產(chǎn)生地影響，從而對漏極電流ID產(chǎn)生影響； 二是漏源電壓UDS對溝道產(chǎn)生地影響，從而對漏極電流ID產(chǎn)生影響。 柵源電壓和漏源電壓都對漏極電流有控制作用，其作用機(jī)理都是通過相關(guān)電壓形成的電場對導(dǎo)電溝道進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對漏極電流的控制。 第14頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負(fù)離子+ 令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS后并不斷增加。 UGS帶給柵極正電荷，將正對SiO2層表面下襯底中的空穴推走，從而形成耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。 在柵極下的表層感生一定

11、的電子電荷，從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道圖 柵源電壓的控制作用 UGS的變化會影響溝道，此時若加上UDS ，就會有漏極電流ID產(chǎn)生，并受UGS的控制。第15頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 UDS對溝道的影響。 在此導(dǎo)電回路中，溝道的電阻最大， UDS主要降落在溝道中，就會對溝道的形狀產(chǎn)生影響。所以漏源電壓UDS會對漏極電流ID產(chǎn)生控制作用。第16頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02UGS(th) N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管的uGS和iD的關(guān)系曲線還可以用下列數(shù)學(xué)表達(dá)式描述2GS(th)GSDOD) 1(UuIi 式中IDO是 uGS=2 U

12、GS(th) 時所對應(yīng)的iD。 對于N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管當(dāng)uGS =0時，不能形成溝道， iD=0。必須uGS UGS(th)才會明顯形成溝道，出現(xiàn)iD， UGS(th)稱為開啟電壓。 可以用uGS對iD的轉(zhuǎn)移特性曲線來描述刪源電壓對漏極電流的控制作用，見左下圖。第17頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.024.5.2.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFETSDGPN+N+SiO2型襯底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) N溝道耗盡型MOSFET是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時，這些正離子已經(jīng)

13、感生出導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。圖4.5.7 N溝道耗盡型管的結(jié)構(gòu)和符號(a) (b) (c)第18頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.0204321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)耗盡型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線也可以用下式表示夾斷電壓漏極飽和電流 當(dāng)UGS=0時，對應(yīng)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示。當(dāng)UGS0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，或用UP表示。)0()1 (GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi圖4.5.7(

14、c) 耗盡型管的特性轉(zhuǎn)移特性第19頁/共30頁 場效應(yīng)晶體管的參數(shù)分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三類： 開啟電壓UGS(th) (或UT)-開啟電壓是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不導(dǎo)通。 夾斷電壓UGS(off) (或UP)-夾斷電壓是耗盡型場效應(yīng)管的參數(shù)，當(dāng)UGS=UGS(off) 時，漏極電流為零。1. 1. 直流參數(shù)直流參數(shù)4.5.3 場效應(yīng)晶體管的參數(shù)和型號場效應(yīng)晶體管的參數(shù)和型號4.5.3.1 場效應(yīng)晶體管的參數(shù)第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02UGS(th)04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)夾斷電壓第20

15、頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 輸入電阻RGS-場效應(yīng)管的柵源之間的輸入電阻，其典型值，對于結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時RGS約大于107，對于絕緣柵型場效應(yīng)管, RGS約是1091015。 飽和漏極電流IDSS-耗盡型場效應(yīng)管, 當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)漏極飽和電流第21頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 低頻跨導(dǎo)gm -低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。 極間電容-場效應(yīng)晶體管的三個電極

16、之間存在電容。一般Cgs和Cgd約為13pF， Cds約為0.11pF。2. 2. 交流參數(shù)交流參數(shù)constGSDmDSUuig第22頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.023. 3. 極限流參數(shù)極限流參數(shù) 最大漏極電流IDM-場效應(yīng)管正常工作時的漏極電流的上限值。 擊穿電壓U(BR)GS-結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間所加的反向電壓使PN結(jié)擊穿的電壓值，或絕緣柵場效應(yīng)管的柵極絕緣層擊穿的電壓值。 最大漏極功耗PDM-最大漏極功耗可由PDM= UDS ID決定，與雙極型晶體管的PCM相當(dāng)。 擊穿電壓U(BR)DS-場效應(yīng)管進(jìn)入恒流區(qū)， uds的增加使 iD驟然增加的漏源電壓值。第23頁

17、/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02 場效應(yīng)晶體管的型號, 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型晶體管相同，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(yīng)管。第二位字母代表材料。 例如，3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應(yīng)晶體管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)晶體管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。4.5.3.2 4.5.3.2 場效應(yīng)晶體管的型號場效應(yīng)晶體管的型號第24頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02幾種常用的場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)。 表 場效應(yīng)晶體管的參數(shù)第25頁/共30頁第4章 半導(dǎo)體二極管和晶體管 2010.02DGSBDGSBDGSBSGD N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源斷開，表示零柵壓時溝道不通。 表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。 N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時溝道已經(jīng)連通。 N溝道結(jié)型MOS管沒有絕緣層 。只有耗盡型，沒有增強(qiáng)型。如果是P溝道，箭頭則向外。場效應(yīng)晶體管的符號場效應(yīng)晶體管的符號第26頁/共30頁第4章