6場效應(yīng)管.ppt

1、1,第六節(jié) 場效應(yīng)管,英文縮寫：FET 場效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件，從制做工藝的結(jié)法上分為兩大類型： 第一類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET） 第二類：絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET） 又稱：金屬一氧化物一半導(dǎo)體型（MOSFET）; 簡稱 MOS型場效應(yīng)管。,2,其中MOS場效管具有制造工藝簡單，占用芯片面積小，器件的特性便于控制等特點。因此MOS管是當(dāng)前制造超大規(guī)模集成電路的主要有源器件，并且已開發(fā)出許多有發(fā)展前景的新電路技術(shù)。,3,一、MOS場效應(yīng)管,MOS管又分為 增強型（EMOS）兩種 耗盡型（DMOS） 每一種又有 N溝道型 P溝道型 所以一共有四種： N溝道增強型（NEMO

2、S） P溝道增強型（PEMOS） N溝道耗盡型（NDMOS） P溝道耗盡型（PDMOS）,4,現(xiàn)在以N溝道增強型為例討論MOS管的工作原理：,1、結(jié)構(gòu)：NEMOS管以P型硅片為襯底。 再在襯底上擴散兩個N+區(qū)（高摻雜），分別為源區(qū)和漏區(qū)。則源區(qū)和漏區(qū)分別與P型襯底形成兩個PN+結(jié)。 在P型襯底表面生長著一薄層的二氧化硅（SiO2）的絕緣層，并在兩個N+區(qū)之間的絕緣層上覆蓋一層金屬，然后在上面引出電極為柵極（G）； 源區(qū)和漏區(qū)引出的電極分別為源極（S）和漏極（D） 而從襯底通過P+引線引出的電極稱為襯底極（U）。,5,如下圖所示：,6,2、電路符號：如各圖片所示 3、工作原理： 在柵極電壓VGS

3、作用下，漏區(qū)和源區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道。然后在漏極電壓VDS作用下，源區(qū)電子沿導(dǎo)電溝道行進到漏區(qū)，產(chǎn)生自漏極流向源極的電流。 因此，改變柵極電壓VGS即可控制導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，使漏極電流ID發(fā)生變化，從而起到正向控制作用。,7,（1）導(dǎo)電溝道形成原理：,在通常情況下，源極（S）一般都與襯底極（U）相連，即VUS=0；而正常工作時，源區(qū)和漏區(qū)的兩個N+區(qū)與襯底之間的PN結(jié)必須加反偏電壓，因此，漏極對源極的電壓VDS必須為正值。 即正常工作時 ： VGS 0,VDS 0，且VDS VGS 先設(shè)VDS= VGS= 0，兩個N+區(qū)各自被空間電荷區(qū)包圍而隔斷。,8,9, 加上VGS0，產(chǎn)生自SiO2P型襯

4、底的電場E，電場E將兩個N+區(qū)的多子電子和P型襯底中的少子電子吸向襯底的表面與多子空穴復(fù)合而消失，同時又排斥襯底中的空穴向P的底層。 這樣在襯底表面的薄層中形成以負離子為主的空間電荷區(qū)，并與兩個PN結(jié)的空間電荷區(qū)相通。 此時，由于電荷平衡原理，空間電荷區(qū)的純負電荷量等于金屬柵上的正電荷量?？梢姡?dāng)VGS= 0或較小的正值時，源區(qū)和漏區(qū)之間均被空間電荷區(qū)隔斷。,10,VDS = VGS = 0，兩個N+區(qū)各自被空間電荷區(qū)包圍而隔斷。 UDS = 0，0 UGS UGS（TH）時，形成空間電荷區(qū),11,12, 增大VGS，使兩個N+區(qū)和襯底中的電子進一步被吸引到襯底表面的薄層中，并進一步排斥該薄層

5、中的空穴，直到其間自由電子濃度大于空穴濃度，則薄層的導(dǎo)電類型就由原來的P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，且與兩個N+區(qū)相通，因此我們稱這時的薄層為反型層。而由P型轉(zhuǎn)變而來的。 當(dāng)外加VDS0時，源區(qū)中多子電子將沿這個反型層漂移到漏區(qū)D，形成自漏極D流向源極S的漏極電流ID。 因此，通常將反型層稱為源區(qū)和漏區(qū)之間的導(dǎo)電溝道。這個溝道由電子形成，故稱為N溝道。,13,14,可以看出，VGS反型層中的自由電子濃度，溝道導(dǎo)電能力，則在VDS 作用下的 ID。 形成反型層后，根據(jù)電荷平衡原理，反型層中的電子電荷量和空間電荷區(qū)中的負離子電荷量之和等于金屬柵上的正電荷量。 現(xiàn)將剛開始形成反型層所需的VGS 值稱為開啟電壓，用

6、 VGS(th) 表示，VGS(th) 的大小決定于MOS管的工藝參數(shù)。 當(dāng)VGS VGS(th) 時，溝道形成，ID隨VGS增大而增大。,15,（2）VDS對溝道導(dǎo)電能力的控制,當(dāng)NEMOS管在形成溝道后，在正值電壓VDS作用下，源區(qū)的多子電子沿著溝道行進行到漏區(qū)，形成漏極電流ID。 由于ID通過溝道形成自漏極到到源極方向的電位差。因此加在“平極電容器”上的電壓將沿著溝道而變化: 近源極端的電壓最大，其值為VGS，相應(yīng)的溝道最深； 離開源極端，越向漏極端靠近，電壓就越小，溝道也就越淺；直到漏極端，電壓最小，其值為： VGD = VGS - VDS， 相應(yīng)的溝道最淺。 因此，在VDS作用下，導(dǎo)

7、電溝道的深度是不均勻的，呈錐狀變化，如下圖：,16,17,18,（3）溝道長度調(diào)制效應(yīng),但在實際上，預(yù)夾斷后，繼續(xù)增大VDS，夾斷點A會略向源極S方向移動，導(dǎo)致A點到S極之間的溝道長度略有減小，相應(yīng)的溝道電阻就略有減小，從而有更多電子漂移到A點，造成ID略有增大，如上圖中虛線所示，這種效應(yīng)我們稱為場效應(yīng)管的溝道長度調(diào)制效應(yīng)。（顯然，這種效應(yīng)與三極管中的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)類似）一般情況下，由VDS引起的ID的增大是很小的，可以忽略。,19,20,（4）結(jié)論,通過對EMOS管的工作原理的闡述，我們可以看到，MOS管是依靠多子電子的一種載流子進行導(dǎo)電的，所以是單極型器件，而晶體三極管是依靠電子和空穴兩

8、種載流子導(dǎo)電的，所以是雙極型器件。,21,4、伏安特性,（以共源極MOS電路為例） 在MOS管中，輸入柵極電流是平板電容器的泄漏電流，其值近似為零，因此MOS管的伏安特性我們只討論輸出特性： ID = f(VDS)|Vgs=常數(shù) 如右圖示為N溝道的EMOS管的輸出特性，分為四個區(qū)：非飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。,22,非飽和區(qū),飽和區(qū),截止區(qū) 亞閾區(qū),23,24,二、P溝道EMOS場效應(yīng)管,結(jié)構(gòu)： 在N型襯底中，擴散兩個P+區(qū)，分別作為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個P+區(qū)之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構(gòu)成了P溝道EMOS管。 工作原理： 為保證PN結(jié)反偏，且在絕緣層下形成反型層，襯底必須接

9、在電路的最高電阻上，且VGS和VDS必須為負值。 在VDS作用下，形成自源區(qū)流向漏區(qū)的空穴電流ID。 電路符號：,25,26,三、耗盡型MOS場效應(yīng)管（DMOS）,（1）結(jié)構(gòu)： DMOS與EMOS管在結(jié)構(gòu)上類似，唯一差別為：襯底表面擴散了一薄層與襯底導(dǎo)電類型相反的摻雜區(qū)，作為漏、源區(qū)之間的導(dǎo)電溝道，如圖： （2）相對應(yīng)的電路符號：,27,28,四、四種MOS場效應(yīng)管的比較,表3-1-1,29,30,五、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）,分為N溝道和P溝道： 電路符號：,31,32,33,六、場效應(yīng)管的應(yīng)用,場效應(yīng)管與晶體管三極管一樣，也是具有非線性和可控性的三端器件，因而用晶體三極管構(gòu)成的功能電路一般也能用場效應(yīng)管來實現(xiàn)。 如：放大電路、電流源、 有源電阻、開關(guān)器件等。,34,UGS=0時無溝道,35,0UGSUT時出現(xiàn)耗盡層,36,UGSUT時出現(xiàn)N溝道,37,UDS較大時溝道夾斷,38,UGSUT時出現(xiàn)N溝道,UDS較大時溝道夾斷,UGS=0時出現(xiàn)無溝道,0UGSUT時出現(xiàn)耗盡層,39,雙極型三極管 場效應(yīng)管(單極型三極管) 結(jié)構(gòu) NPN型 結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道 C與E一般不可倒置使用 D與S有的型號可倒置使用 載流子 多子擴散少子漂移 多子漂移 輸入量 電流輸