第4讲 半导体基础关知识-场效应管

概述第三章场效应管参考书籍：谢嘉奎《电子线路》线性部分概述1.场效应三极管概念及特点只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(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。概述DSGN符号2.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。概述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型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS概述二、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。概述•讨论场效应管的工作原理就是：•讨论栅-源电压VGS对漏极电流ID（或沟道电阻）的控制作用；•讨论漏-源电压VDS对漏极电流ID的影响。概述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=UGS(OFF)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UGS(OFF)为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS0VGSID=0GDSP+P+(c)UGS=UGS(OFF)VGS概述2.当UGS为UGS(OFF)～0中某一固定值时，在漏源极间加正向VDS，观察VDS对漏极电流ID的影响。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG（1）UDS=0，ID=0。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG（2）UDS,UGD﹥UGS(OFF),ID更大（3）UDS,UGD=UGS(OFF),预夹断（4）UDS,UGD﹤UGS(OFF),ID几乎不变概述3.在漏源极间加正向VDS，使UDS0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UGD﹥，ID较大。GS(OFF)UGDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS0，UGD﹥，ID较小。GS(OFF)UGDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)概述GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS0,UGD=UGS(OFF),ID更小,预夹断UGS≤UGS（OFF）,UGD﹤UGS(OFF),ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+特点:(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)概述三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUUfIOUGSIDIDSSUGS(OFF)图1.4.6转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UGS(OFF)，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(OFF)(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA概述1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.输出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(GSGS(OFF)2GS(OFF)GSDSSD时当UUUUII≤≤概述IDSS/VGS(OFF)GSDSUUUID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8GS(OFF)U预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区输出特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。2.输出特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)漏极特性概述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概述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109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型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。概述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概述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+概述场效应管与三极管的性能比较：1．场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2．场效应管是电压控电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控电流器件，由iB(或iE)控制iC。3．场效应管栅极几乎不取电流（ig=0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4．场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5．场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。6．场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。