模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講2.2 場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管2.2.1 絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理2.2.2 伏安特性曲線2.2.3 結(jié)型場效應(yīng)三極管2.2.4 場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號2.2.5 雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。 從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分，它有兩大類。 1. 結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2. 絕緣柵型場效

2、應(yīng)三極管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖 。其中：D ( Drain )為漏極，相當(dāng)于集電極C；G ( Gate )為柵極，相當(dāng)于基極B ; S ( Source ) 為源極，相當(dāng)于發(fā)射極E。2.2.1 絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理 絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為: 增強(qiáng)型 N溝道、P溝

3、道 耗盡型 N溝道、P溝道圖02.13 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖（動畫2-3）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 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。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。 (1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET 結(jié)構(gòu) 根據(jù)圖， N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 當(dāng)柵極加有電壓時，若0VGSVGS(th)時，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的 P 型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離

4、子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。工作原理 1柵源電壓VGS的控制作用 當(dāng)VGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用：ID=f(VGS)VDS=const 這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖。 進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時（稱為開啟電壓)，此時的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵

5、極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。 隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。(動畫2-4）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講圖02.14 VGS對漏極電流的控制特性轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm=ID/VGS VDS=const (單位mS) ID=f(VGS)VDS=const模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 2漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用 V

6、DS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。圖02.15(a) 漏源電壓VDS對溝道的影響(動畫2-5) 當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的變化對溝道的影響如圖所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGSVGS(th)，溝道分布如圖02.15(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。 當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時，溝道如圖02.15(b)所示。

7、這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。 當(dāng)VDS增加到VGSVGS(th)時，溝道如圖02.15(c)所示。此時預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 VDS增加部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。 當(dāng)VGSVGS(th)，且固定為某一值時， VDS對ID的影響，即ID=f(VDS)VGS=const這一關(guān)系曲線如圖所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講圖02.16 漏極輸出特性曲線ID=f(VDS)VGS=const模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (2)N溝道耗盡型MOSFET 當(dāng)VGS0時，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電

8、流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOS的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。 N溝道耗盡型MOS的結(jié)構(gòu)和符號如圖02.17(a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (3)P溝道耗盡型MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝

9、道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 伏安特性曲線 場效應(yīng)三極管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同，以及是增強(qiáng)型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于圖之中。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 圖02.18 各類場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講絕緣柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講結(jié)型

10、場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講2.2.3 結(jié)型場效應(yīng)三極管 (1)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(動畫2-8）圖02.19 結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)一個P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。 JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如圖02.19所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié)，形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (2) 結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理 根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會出現(xiàn)柵

11、流?，F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 柵源電壓對溝道的控制作用 當(dāng)VGS=0時，在漏極與源極之間加有一定電壓，在漏、源間將形成多子漂移運(yùn)動，產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)VGS0時，PN結(jié)反偏，耗盡層加厚，漏、源間的溝道將變窄、電阻增大、ID減小，VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。這一過程如圖所示。（動畫2-9）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 漏源電壓對溝道的控制作用 當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖02.21(b)示。當(dāng)VDS繼續(xù)增加，漏極處的夾斷繼續(xù)向

12、源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應(yīng)三極管十分相似，見圖。 在柵極加上電壓，且VGSVGS(off) ，若漏源電壓VDS 從零開始增加，則VGD= VGS-VDS 將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層厚度加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，如圖02.21(a)所示。（動畫2-9）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (3)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線 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)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。JFET的特性曲線如圖所示。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講(a) 漏極輸出特

13、性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線 圖02.22 N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線動畫（2-6） 動畫（2-7）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講2.2.4 場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(1) 場效應(yīng)三極管的參數(shù) 開啟電壓VGS(th) (或VT) 開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。 夾斷電壓VGS(off) (或VP) 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時, 漏極電流為零。 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管, 當(dāng)VGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 輸入電阻RGS 場效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結(jié)型場效應(yīng)三極

14、管，反偏時RGS約大于107，對于絕緣柵型場效應(yīng)三極管, RGS約是1091015。 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)。 最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講 (2) 場效應(yīng)三極管的型號 場效應(yīng)三極管型號, 現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，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D是P型硅，反型層是N溝道；C 是 N 型硅P溝道。例如, 3DJ6D 是結(jié)型N溝道場效應(yīng)三

15、極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。 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。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四講幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表。參數(shù)型號PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gm mA/ V fM MHz 3DJ2D 100 20 20-42 3003DJ7E 100 20 20 -43 903DJ15H 100 611 20 20-5.583DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25-4 2模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)