1.4绝缘栅型场效应管6解析

1.PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场，PN结呈现低阻性，耗尽层变薄。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外二、PN结的单向导电性复习：2.PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。PN结呈现高阻性,耗尽层加宽。P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏.内外场效应管仅是由一种载流子参与导电的半导体器件，是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。1.4场效应三极管它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管((JunctiontypeFieldEffectTransister)JFET)绝缘栅型场效应管((InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET).IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P沟道场效应管图1.4.2P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS二、工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGS，改变VGS大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+(a)UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UP为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS0VGGID=0GDSP+P+(c)UGS=UPVGG2.在漏源极间加正向VDS，使UDS0，在栅源间加负电源VGS，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UDG，ID较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDSVGGUGS0，UDG，ID较小。PUGDSNISIDP+P+VDS注意：当UDS0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断UGS≤UP,UDG|UP|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUUfIOUGSIDIDSSUP图1.4.6转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.漏极特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：常数GS)(DSDUUfI)0()1(GSP2PGSDSSD时当UUUUII≤≤IDSS/VPGSDSUUUID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8PU预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2.漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)漏极特性UGS越大，预夹断时的UDS也就越大，形成预夹断轨迹。场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA00.511.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=00.4V0.8V1.2V1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图1.4.8N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD图1.4.92、N沟道增强型MOS场效应管工作原理P型衬底N+N+GSDSiO2当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当VGS=VT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。VT叫做开启电压。增强型MOS管VDSiD++--++--++++----VGS反型层当VGSVT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。一方面:UDS不变时，(2)UGS0当VGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。当VDS为不等于0且很小时，相当VGD＞VT,此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID但是此时导电沟道呈现一个楔形。增强型MOS管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用当VDS增加ID也增加，同时导电沟道宽度的不均匀性也加剧，当VDS增加到使VGD=VT时，当VDS增加到VGDVT时，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，导电沟道两端的电压几乎不变，所以ID基本趋于不变。UDS对导电沟道的影响(UGSUT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UT，UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDSUGS–UT，UGDUT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。a.UDSUGS–UT，即UGD=UGS–UDSUTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.11UDS对导电沟道的影响(a)UGDUT(b)UGD=UT(c)UGDUT3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VOTGSUU预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区UGSUT，ID=0；UGS≥UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2TGSDOD)1(UUII(当UGSUT时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图1.4.12(a)图1.4.12(b)二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS0，产生较大的漏极电流；UGS0，将削弱电场，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS更负，当UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，ID0。UP称为夹断电压图1.4.13N沟道耗尽型MOS场效应管也允许在UGS0的情况下工作，此时导电沟道比UGS=0时更宽，ID更大P型衬底N+N+BGSD++++++N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS0；UGS正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSSN沟道增强型N沟道耗尽型SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=03V1V2V43215101520图1.4.14特性曲线1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UP3.开启电压UT4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。常数DSGSDmΔΔUUIg单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。种类符号转移特性漏极特性结型N沟道耗尽型结型P沟道耗尽型绝缘栅型N沟道增强型SGDSGD+++oSGDBUGSIDOUT表1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0VUDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO__o_+_o+作业：1-151-16