MOSFET基礎(chǔ)知識介紹課件

1、FET基礎(chǔ)知識及電參數(shù)測試介紹第1頁，共27頁。場效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管特點單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)； 輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。第2頁，共27頁。DSGN符號結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖 1 N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P 型區(qū)耗盡層(PN 結(jié))在漏極和源極之間加上一個正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。第3頁，共27頁。P 溝道場效應(yīng)管圖 2P 溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

2、圖N+N+P型溝道GSD P溝道場效應(yīng)管是在 P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+),導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號GDS第4頁，共27頁。二、工作原理N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變UGS 大小來控制漏極電流 ID 的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 ID 減小，反之，漏極 ID 電流將增加。 耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。第5頁，共27頁。二、工作原理N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變UGS 大小來控制漏極電流 ID 的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗

3、盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流 ID 減小，反之，漏極 ID 電流將增加。 *耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。第6頁，共27頁。1. 設(shè)UDS = 0 ，在柵源之間加負(fù)電源 VGG，改變 VGG 大小。觀察耗盡層的變化。ID = 0GDSN型溝道P+P+ (a) UGS = 0UGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off），耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷，夾斷電壓 UGS(off) 為負(fù)值。ID = 0GDSP+P+N型溝道 (b) UGS 0，在柵源間加負(fù)電源 VGG，觀察 UGS 變化時耗盡層

4、和漏極 ID 。UGS=0,UDG ， ID 較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS0，UDG 0 時，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)第8頁，共27頁。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off) |, ID 0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1) 改變 UGS ，改變了 PN 結(jié)中電場，控制了 ID ，故稱場效應(yīng)管； (2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)第9頁，共27頁。三、特性曲線1. 轉(zhuǎn)移特性(N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)O UGSIDIDSSUGS(off)圖

5、5 轉(zhuǎn)移特性UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈負(fù)，ID 愈??；UGS = UGS(off)，ID 0。兩個重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時的ID)夾斷電壓UGS(off) (ID=0時的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖4 特性曲線測試電路+mA第10頁，共27頁。1. 轉(zhuǎn)移特性O(shè) uGS/VID/mAIDSSUGS(off)圖 6轉(zhuǎn)移特性2. 漏極特性當(dāng)柵源 之間的電壓 UGS 不變時，漏極電流 ID 與漏源之間電壓 UDS 的關(guān)系，即 結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式： 第11頁，共27頁。IDSS/VID/mAUDS /VOUGS = 0V-1 -2

6、-3 -4 -5 -6 -7 預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū) 可變電阻區(qū)漏極特性也有三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2. 漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖 7特性曲線測試電路+mA圖 8漏極特性第12頁，共27頁。場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS = 常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0-0.4 V-0.8 V-1.2 V-1.6 V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達 107 以上。如希望得

7、到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。圖 9在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性第13頁，共27頁。絕緣柵型場效應(yīng)管 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱 MOS 場效應(yīng)管。特點：輸入電阻可達 109 以上。類型N 溝道P 溝道增強型耗盡型增強型耗盡型UGS = 0 時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS = 0 時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強型場效應(yīng)管。第14頁，共27頁。一、N 溝道增強型 MOS 場效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)P 型襯底N+N+BGSDSiO2源極 S漏極 D襯底引線 B柵極 G圖 10N 溝道增強型MOS 場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖第15頁，共27頁。2.

8、 工作原理 絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 ID。工作原理分析(1)UGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖 11第16頁，共27頁。(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形。漏極形成電流 ID 。b. UDS=UGS UGS(th)， UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c. UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不

9、變，ID 因而基本不變。a. UDS UGS(th)P 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)第18頁，共27頁。DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖 12UDS 對導(dǎo)電溝道的影響(a) UGD UGS(th)(b)UGD= UGS(th)(c)UGD UGS(th)第19頁，共27頁。3. 特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS /VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū) 可變電阻區(qū)UGS UGS(th) 時)三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)

10、(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAO圖 13圖 14第20頁，共27頁。二、N 溝道耗盡型 MOS 場效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD+制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在 P 型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使 UGS = 0 也會形成 N 型導(dǎo)電溝道。+UGS=0，UDS0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS 0；UGS 正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖 1.4.15MOS 管的符號SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V

11、-2 V43215101520圖 16特性曲線第22頁，共27頁。場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流 IDSS2. 夾斷電壓 UGS(off)/開啟電壓 UGS(th)3. 直流輸入電阻 RGS 輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在 107 以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于 109 。第23頁，共27頁。二、交流參數(shù)1. 低頻跨導(dǎo) gm2. 極間電容 用以描述柵源之間的電壓 UGS 對漏極電流 ID 的控制作用。單位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西門子(mS) 這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為

12、幾個皮法。第24頁，共27頁。三、極限參數(shù)1. 漏極最大允許耗散功率 PDM2. 漏源擊穿電壓 U(BR)DS3. 柵源擊穿電壓U(BR)GS 漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流 ID 急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的 UDS 。 場效應(yīng)管工作時，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGSU(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。第25頁，共27頁。種 類符 號轉(zhuǎn)移特性漏極特性 結(jié)型N 溝道耗盡型 結(jié)型P 溝道耗盡型 絕緣柵型 N 溝道增強型SGDSGDIDUGS= 0V+UDS+oSGDBUGSIDOUT表 1-2各類場效應(yīng)管的符號和特性曲線+UGS = UTUDSID+OIDUGS=