第二章3(場(chǎng)效應(yīng)管)

2.5場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)極特點(diǎn)一二三一MOS場(chǎng)效應(yīng)極管場(chǎng)效應(yīng)管：是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。1.根據(jù)載流子來劃分：N溝道器件：電子作為載流子的。P溝道器件：空穴作為載流子的。2.根據(jù)結(jié)構(gòu)來劃分：

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET：

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET：1.場(chǎng)效應(yīng)管具有什么功能？2.場(chǎng)效應(yīng)管都有哪些類型？區(qū)別是什么？3.與雙及性三極管的區(qū)別？1

增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)D為漏極，相當(dāng)C；

G為柵極，相當(dāng)B；

S為源極，相當(dāng)E。（一）N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET分為：

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)圖柵壓為零時(shí)有溝道柵壓為零時(shí)無溝道P型硅作襯底濃度較低引出電極B在P型襯底上生成SiO2薄膜絕緣層引出電極G極用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極：S極和D極MOSFET=Metal-Oxide-semiconductorFieldEffectTransistor(動(dòng)畫2-3)由于BS短接，G與襯底B間產(chǎn)生電場(chǎng)，GB相當(dāng)兩個(gè)平板，電子被正極板吸引，空穴被排斥，出現(xiàn)一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子——電子，將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。1）柵源電壓UGS的控制作用漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。即:ID=02工作原理(1).當(dāng)UGS=0V時(shí):(2).0＜UGS＜UT時(shí):(3).當(dāng)UGS=UT:(UT稱為開啟電壓)1.在UGS=0V時(shí)ID=0;2.只有當(dāng)UGS＞UT后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。（電壓控制器件）出現(xiàn)反型層，與N形成一體構(gòu)成導(dǎo)電溝道;當(dāng)UDS＞0時(shí):D溝道

S之間形成漏極電流。(4).當(dāng)UGS＞UT:(UT稱為開啟電壓)隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻，ID將不斷（動(dòng)畫2-4）（續(xù)）工作原理結(jié)論UGS固定，且UDS很小時(shí)：UDS與漏極電流ID之間呈線性關(guān)系。漏源電壓UDS對(duì)溝道影響1）輸出特性曲線（1）可變電阻區(qū)UGS＞UT:反映了漏源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID

K2(UGS-UT)UDS上式得:UGS一定時(shí)溝道導(dǎo)通電阻：Ron=

dUDS/

dID|

UGS=constRon=

L

/

nCOXW(UGS-UT)3特性曲線溝道電子表面遷移率K為導(dǎo)電因子單位面積柵氧化層電容結(jié)論：UGS恒定時(shí)Ron近似為常數(shù)。Ron隨UGS而變化，故又稱可變電阻區(qū)。

由于UDS的存在，導(dǎo)電溝道不均勻，當(dāng)UDS=

UGS-UT時(shí):此時(shí)漏極端的導(dǎo)電溝道將開始消失（稱預(yù)夾斷）(2)恒流區(qū)：UGS一定時(shí)：ID隨UDS基本不變，ID恒定稱恒流區(qū)。當(dāng)UDS>UGS-UT時(shí):隨UDS夾斷點(diǎn)向移動(dòng)，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。(3)擊穿區(qū)：當(dāng)UDS增加到一臨界值時(shí)，ID（急?。┘碊與襯底之間擊穿。當(dāng)UGS＞UT，且固定為某一值時(shí):

UDS對(duì)ID的影響的關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。漏極輸出特性曲線在輸出特性曲線上：當(dāng)UDS固定為某一值時(shí):

UGS對(duì)ID的影響的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線3特性曲線UGS對(duì)ID的控制關(guān)系可用如下曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線ID=f(UGS)UDS=const2）轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示：(1).UGS<UT時(shí)：溝道未形成，

ID=0管子截止?fàn)顟B(tài)(2).UGSUT時(shí)：溝道形成，

ID>0隨UGS溝道加厚

ID

UDS正向減小，曲線右移。在恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線中ID

與UGS的關(guān)系為：ID=K(UGS-UT)2

;式中K為導(dǎo)電因子ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L短溝道并考慮UDS的影響時(shí)：ID=K(UGS-UT)2(1+

UDS)溝道電子表面遷移率單位面積柵氧化層電容溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)UGS＜0時(shí)：

隨著UGS反向增加，ID逐漸減小。直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UP

表示。

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖所示：(二)N溝道耗盡型MOSFET

UGS=0時(shí)；

正離子已感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。（飽和電流Idss）(a)結(jié)構(gòu)示意圖在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當(dāng)UGS＞0時(shí)；溝道變寬將使ID進(jìn)一步增加。N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線N溝道耗盡型的輸出特性曲線在恒流區(qū)仍滿足：ID

K(UGS-UT)2ID

K(UGS-UT)2（1+UDS）對(duì)耗盡型MOS管還可表示為：

ID

IDSS(1-UGS/

Up)2飽和漏極電流的值為：IDSS

(μnCOXW/2L

)Up2IDSSN溝道耗盡型MOSFET轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線:如圖所示：P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。區(qū)別是導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同。同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。(三)P溝道耗盡型MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線類型比較多：根據(jù)導(dǎo)電溝道不同，以及增強(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)曲線繪于下圖之中。2.伏安特性曲線各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型三結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理也相似。如圖:在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)即為柵極;N型硅的一端是漏極;另一端是源極。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)(動(dòng)畫2-8）（一）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu):柵極漏極源極UGSDSGUDSID柵源電壓對(duì)溝道的控制作用1.當(dāng)UGS=0時(shí):溝道較寬，在UDS作用下，產(chǎn)生的ID較大。

2.當(dāng)UGS＜0時(shí)（即負(fù)壓）時(shí):隨UGS增加，溝道變窄，ID減小。

（二）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理耗盡層N溝道耗盡層3.若UGS再增加，增至UGS=Up時(shí)，耗盡層在源極附近相遇，稱為全加斷。此時(shí)ID=0。當(dāng)UDS增加到UDS=UP（夾斷電壓）耗盡層在漏極附近相遇，稱為預(yù)夾斷（動(dòng)畫2-9）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用漏源電壓對(duì)溝道的控制作用（動(dòng)畫2-9）

(三)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線它與耗盡型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(chǎng)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的特性曲線有兩條：轉(zhuǎn)移特性曲線：輸出特性：(a)漏極輸出特性曲線（動(dòng)畫2-6）(b)轉(zhuǎn)移特性曲線（動(dòng)畫2-7）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線JFET的特性曲線：

(三)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)的特性曲線與NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線很相似；區(qū)別在于NMOSFET的柵壓可正可負(fù)，而NJFET的柵壓只能為負(fù)電壓。?1.NJFET轉(zhuǎn)移特性曲線(如圖)_同理PJFET的柵壓只能為正電壓。UDS=常數(shù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電的絕對(duì)值，場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通(即IG=0)。夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)漏極電流為零時(shí),UGS=UP耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。四場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)①開啟電壓

UGS,th

(UT)②夾斷電壓UGS,off(UP)③飽和漏極電流IDSS（一）場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1）直流參數(shù)

④場(chǎng)效應(yīng)管柵源輸入電阻RGS：

柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值:結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，反偏時(shí)RGS約大于108～1012Ω，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管RGS約是1010～1015Ω。漏源、柵源擊穿電壓UDS,B、

BUGS,B(極限參數(shù))①低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mA/V或mS(毫西門子)。2）場(chǎng)效應(yīng)管的微變參數(shù)(1).圖解法求解：在曲線工作點(diǎn)上作切線，其斜率為gm(2).解析法求解：增強(qiáng)型MOSFET:gm=1/Ron耗盡型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up②襯底跨導(dǎo)gmb③漏極電阻rdS

：可在輸出特性曲線工作點(diǎn)上作切線，其斜率的倒數(shù)④動(dòng)態(tài)漏極電阻rds：極間電容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流區(qū)（即可變電阻區(qū)）：3）極限參數(shù):包括UGS,B、UDS,B、PDM、

Csd、

Csb、

Cdb。（二）場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)是單極型電壓控制器件；溫度穩(wěn)定性好。是輸入電阻極高，一般可達(dá)108以上，因而可組成多級(jí)放大器的輸入級(jí)，同時(shí)在作中間級(jí)放大器時(shí)，不需考慮對(duì)前級(jí)的負(fù)載作用。噪聲低結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、極間的互換性。構(gòu)成可變電阻。工藝簡(jiǎn)單、功耗小。適于集成。2.6集成化元器件及其特點(diǎn)一集成電路工藝簡(jiǎn)介

以制造NPN管的工藝流程為例

氧化光刻隱埋層擴(kuò)散外延和氧化隔離擴(kuò)散選擇隔離槽P型硅片1.平面工藝2電路元件制造工藝基區(qū)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)擴(kuò)散蒸鋁NPN選擇基區(qū)選擇發(fā)射區(qū)選擇電極引線窗口選擇要去除的鋁層集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式二、集成化元器件1.NPN晶體管

在P型硅片襯底上擴(kuò)散N＋隱埋層，生長(zhǎng)N型外延層，擴(kuò)散P型基區(qū)，N＋型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)隔離島隱埋層擴(kuò)散P型基區(qū)2.PNP晶體管

從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運(yùn)動(dòng)1)縱向PNP管優(yōu)點(diǎn)：制造方便基區(qū)較NPN寬特征頻率高輸出電流大缺點(diǎn)由于隔離的需要，C極必須接電路電源最低電位常作射極跟隨器。

(2)橫向PNP管發(fā)射極和集電極橫向排列，載流子沿?cái)嗝嫠竭\(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：

因?yàn)橛奢p摻雜的P型擴(kuò)散區(qū)和N型外延區(qū)構(gòu)成，e結(jié)和c結(jié)反向擊穿電壓高缺點(diǎn)：

由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大1－2個(gè)數(shù)量級(jí)，很小，特征頻率低。3.二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得（如圖）:常用的兩種形式4.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好（2）擴(kuò)散電阻，按結(jié)構(gòu)分：基區(qū)電阻:50～100K

＝±20%發(fā)射區(qū)電阻:1～1000（電阻率低）窄基區(qū)電阻:電阻率高10～1000K＝±20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差?。ㄐ∮?％）5.電容利用SiO2保護(hù)層作絕緣介質(zhì)，用金屬板和半導(dǎo)體作電容極板。電容量與氧化物厚度成反比，與極板面積成正比，單位面積電容量不大，但漏電較小、擊穿電壓較高。MOS電容：三集成化元器件特點(diǎn)4.集成電路中寄生參量的存在會(huì)引起元件間的寄生耦合，影響電路穩(wěn)定，使電路產(chǎn)生寄生振蕩。1.集成電路工藝不能制作電感，超過100pF的大電容因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用阻容耦合，而采用直接耦合。2.集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電阻，盡量用晶體管代替電阻、電容。3.單個(gè)元件的精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對(duì)稱性好，故大量采用差放電路及增益取決于電阻比值的負(fù)反饋放大器。隨著空間技術(shù)、光通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體光電器件得到飛速發(fā)展。光電器件按其功能可分成兩大類：1．發(fā)光器件它的功能是把電能轉(zhuǎn)換為光能。發(fā)光二極管是最常用的發(fā)光器件，當(dāng)發(fā)光二極管兩端加上電流或電壓時(shí)，可高效的發(fā)出可見光、紅外光或不可見光。2．光敏器件它的功能是把光能轉(zhuǎn)換為電能。其中包括根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電二極管，根據(jù)光生伏特效應(yīng)工作的光電池（也稱太陽能電池），依據(jù)光電子發(fā)射效應(yīng)工作的光電倍增器、攝像管等。2.7半導(dǎo)體管光電器件1．半導(dǎo)體發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件，它具有一個(gè)PN結(jié)。當(dāng)給PN結(jié)兩端加正向偏壓時(shí)，在正向電流激發(fā)下，管子就會(huì)發(fā)出可見光或不可見光，稱電致發(fā)光。目前市場(chǎng)上有發(fā)紅光、黃光、綠光、藍(lán)光、紫光和紅外光的各種發(fā)光二極管。除此以外還有變色發(fā)光二極管等。一、半導(dǎo)體發(fā)光器件1）工作原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管的工作機(jī)理是光的自發(fā)發(fā)射。當(dāng)注入正向電流時(shí)，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光。發(fā)光二極管的p—I曲線。結(jié)論：發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。1）半導(dǎo)體激光器的工作機(jī)理和任何類型的激光器一樣，在半導(dǎo)體激光器中產(chǎn)生激光，需要具備以下三個(gè)基本條件：（1）具有合適的能級(jí)分布的激光物質(zhì)；（2）外界提供的激勵(lì)源能夠在有源區(qū)中產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；（3）存在光學(xué)諧振腔，在有源區(qū)中能夠建立起穩(wěn)定的振蕩。2．半導(dǎo)體激光器（LD）原理：首先使輸出光的方向得到選擇，使不能被反射鏡面截獲的、方向雜亂的光逸出腔外而損耗掉，能在諧振腔內(nèi)建立起穩(wěn)定振蕩的光基本上是與反射鏡面垂直方向的光。條件：要使光在諧振腔內(nèi)建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和振幅條件，相位條件使發(fā)射光譜得到選擇，振幅條件使激光器成為一個(gè)閾值器件。半導(dǎo)體光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能器件。適用范圍：在一切光信號(hào)處理的系統(tǒng)中都起著至關(guān)重要的作用；（包括光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)等）半導(dǎo)體光電探測(cè)器的構(gòu)成決定了它的所有性能指標(biāo)，如伏安特性、響應(yīng)時(shí)間、暗電流、噪聲等效功率等。二、半導(dǎo)體光電探測(cè)器1.半導(dǎo)體光電探測(cè)器的基本原理

圖2—86光電二極管工作機(jī)理：是光電導(dǎo)效應(yīng)；工作條件：光電二極管的PN結(jié)在反向偏置電壓下工作。原理：光入射到本征半導(dǎo)體材料后，受共價(jià)鍵束縛的電子吸收光能量后掙脫共價(jià)鍵束縛而成為自由電子，并在原來的位置上留下空穴。光激發(fā)的電子—空穴對(duì)在外加電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，形成電流；結(jié)論：電流是在光激發(fā)下產(chǎn)生的，所以稱為光生電流。入射光越強(qiáng)，光生電流越大。原理：1）光電響應(yīng)特性光電流的大小與入射光功率Pin成正比:半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物體。具有如下特性：溫敏性、光敏性和摻雜特性。以上特性對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力有較大影響，利用這些性能可制作成具有各種特性的半導(dǎo)體器件。

PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元，具有單向?qū)щ娦浴⒎蔷€性電阻特性、電容效應(yīng)、擊穿穩(wěn)壓特性。當(dāng)PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)低阻特性。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高阻特性。小結(jié)晶體二極管實(shí)際