第7 场效应管补充知识

绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理•场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：MetalOxideSemiconductorFiledEffectTransistor，缩写为MOSFET•场效应管是的外型与晶体管（三极管）相似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理2SiODSGBNNAl栅极P型硅衬底源极漏极衬底结构图它是以—块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。S源极B衬底D漏极G栅极符号图绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理•基本上不需要信号源提供电流•输入阻抗很高（可达109—1015Ω）•受温度和辐射等外界因素影响小，制造工艺简单、便于集成化等；•只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理场效应管的分类•按封装形式分：塑料封装和金属封装•按功率大小分：小功率、中功率和大功率•按频率特性分：低频管、中频管和高频管•按结构特点分：结型（JFET）和绝缘栅型（IGFET）•按导电沟道的不同还可分为：N沟道和P沟道，而绝缘栅型又可细分为N沟道增强型和耗尽型，P沟道增强型和耗尽型两种。绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管结构及符号它是以—块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。2SiODSGBNNAl栅极P型硅衬底源极漏极衬底结构图S源极B衬底D漏极G栅极符号图绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理•绝缘栅场效应管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。N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理1.UGS=0时，没有导电沟道GSD绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理当栅源短路(即栅源电压UGS=0时，源区(N+型)、衬底(P型)和漏区(N+型)形成两个背靠背约PN结，不管ED的极性如何，其中总有一个PN结是反偏。如果源极S与衬底相连接地，漏极接电源的正极，那么漏极与衬底之间的PN结果也是反偏的，所以漏源之间没有形成导电沟道，因此漏极电流ID=0(相当于漏源之间的电阻很大)。绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理当栅源之间加反向电压(栅极接正极，源极接负极)，则栅极(铝层)和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平行板电容器，在栅源电压作用下，产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。2.UGSUGS（th）时，出现N沟道绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理当栅源电压UGS达到一定数值时。这些电子在栅极附近的P型硅片表面形成一个N型薄层，将漏极和源极沟通，称为N沟道。由于此沟道是由栅源电压感应产生的，所以又称为感生沟通，如图所示。另一方面，由于它与P型衬底型别相反，所以，又称它为反型层。显然，栅源电压愈强，感生沟道（反型层）愈厚，沟道电阻愈小。这种在UGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压才能形成感生沟道的场效应管，称为增强型绝缘栅场效应管。绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理一旦出现了感生沟道，原来被P型衬底隔开的两个N+型区(源极和漏极)，就被感生沟道连在一起了。因此，在漏源电压的作用下，将有漏极电流ID产生。一般把在漏源电压作用下开始导电的栅源电压，叫开启电压UGS（th）。绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理增强型场效应管只有在只有在UGS＞UGS（th）时，调节UGS，改变导电沟道的厚度，从而在相同的UDS作用下，有效的控制漏极电流ID的大小。工作原理总结绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD=0。(2)当uGSUGSth时，iD0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如下式所示。2)(2GSthGSoxnDUuLWCuiN沟道增强型MOSFET的转移特性绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线-输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图所示。它分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：（1）夹断区（截止区）当UGSUGS（th）时，反型层导电沟道被完全夹断，ID=0，场效应管处于截止状态。(2)可变电阻区在此区域内，UDS很小，导电沟道主要受UGS的控制。绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线当UDS较大时，出现夹断区，ID趋于饱和。(3)恒流区在一定的UGS下，当UDS增大道一定程度时，漏极电流急剧增加，称为场效应管被击穿。(4)击穿区绝缘栅型场效应晶体管-主要参数当UDS为某一固定数值时，使沟道将漏、源极连结起来的最小的栅源电压UGS就是开启电压UGS（th）它只适用于增强型场效应管。开启电压UGS（th）最大漏源电压是指漏极电流开始急剧上升，发生雪崩击穿时所对应的UDS值。最大漏源电压绝缘栅型场效应晶体管-特性曲线|DSDmUconstGSIgU在UDS＝常数时，漏极电流的微变量与引起这个微变量的栅源电压的微变量之比称为跨导，即低频跨导gm场效应管的耗散功率等于UDS和ID的乘积，这些耗散在管子中的功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高．就要限制它的耗散功率不能超过最大值PDSM。显然，PDSM受管于的最高工作温度的限制。漏极最大耗散功率PDSMDDSDSMIUP