结型场效应晶体管(1)课件

1、 场效应管的分类场效应管的分类 场场 效效 应应 晶晶 体体 管管 场效应管的特点及应用举例场效应管的特点及应用举例本书主要介绍的是？本书主要介绍的是？ 什么是场效应管什么是场效应管先学习结型场效应晶体管先学习结型场效应晶体管按其结构及制作工艺，可分为：按其结构及制作工艺，可分为： 1. 1. 结型栅场效应晶体管，包括肖特基栅场结型栅场效应晶体管，包括肖特基栅场效应晶体管效应晶体管 2. 2. 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 3. 3. 薄膜场效应晶体管薄膜场效应晶体管 场效应管的分类场效应管的分类 什么是场效应管什么是场效应管（单极型场效应晶体管）（单极型场效应晶体管）它通过改变导电沟

2、道的导电能力，从而它通过改变导电沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流调制通过沟道的电流FETFET的直流输入阻抗很高，一般可达的直流输入阻抗很高，一般可达双极型晶体管输入阻抗一般双极型晶体管输入阻抗一般 左右。因而左右。因而FETFET适合一些要求直流输入阻抗高的场合。适合一些要求直流输入阻抗高的场合。1.1. 2.2. 3.3. 4.4. 9151010 1k 场效应晶体管具有以下共同特点：场效应晶体管具有以下共同特点：1717体积小，重量轻，集成度高体积小，重量轻，集成度高它通过输入电压来控制输出电流，是一种它通过输入电压来控制输出电流，是一种电电压控制器件压控制器件。双极型晶体管为。双

3、极型晶体管为电流控制器件电流控制器件噪声低噪声低：这是：这是FETFET又一显著特点。因而它特又一显著特点。因而它特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合5.5. 6.6. 7.7. 热稳定性好热稳定性好。设计电路时可使器件工作在零。设计电路时可使器件工作在零温度系数附近，消除温度的影响。温度系数附近，消除温度的影响。因为因为FETFET是是多子器件多子器件，所以其抗辐射能力强，所以其抗辐射能力强，这使它可工作在有强烈辐射的环境中这使它可工作在有强烈辐射的环境中与双极型晶体管相比，制作工序少、工艺简与双极型晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产品合格率、降

4、低成本。单，有利于提高产品合格率、降低成本。 由于由于FETFET的上述特点，使其研究、制作和应用的上述特点，使其研究、制作和应用发展很快，在半导体器件中占有相当重要的地发展很快，在半导体器件中占有相当重要的地位。下面看看其在生产生活中的应用：位。下面看看其在生产生活中的应用：例如：在集成电路中的应用：例如：在集成电路中的应用：MOSMOS倒相器倒相器此外，功率场效应管在电力电子技术中也有着广此外，功率场效应管在电力电子技术中也有着广泛的应用泛的应用第五章第五章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管1. 1. JFETJFET的基本知识的基本知识2. 2. JFETJFET的直流特性和频率特性的直

5、流特性和频率特性分类和代表符号、基本结构、工作原理、转移特分类和代表符号、基本结构、工作原理、转移特性，性，肖特基栅场效应晶体管肖特基栅场效应晶体管5.1.1 5.1.1 器件的类型和代表符号器件的类型和代表符号耗尽型耗尽型P P型型N N型型增强型增强型 JEFT JEFT一般都是耗尽型的一般都是耗尽型的5.1.2 JEFT5.1.2 JEFT的基本结构的基本结构立体图立体图剖面图剖面图 平面工艺中平面工艺中JEFTJEFT的结构：的结构：衬底衬底外延层外延层5.1.3 5.1.3 基本工作原理基本工作原理1 1下面以下面以NN沟耗尽型为例，说明沟耗尽型为例，说明JFETJFET的工作原理的

6、工作原理 对对NN沟耗尽型来说，正常条件沟耗尽型来说，正常条件下在电路中的连接方式：下在电路中的连接方式：偏压变化偏压变化势垒区宽势垒区宽度变化度变化沟道导电沟道导电能力变化能力变化V VGSGS=0=0V VGSGS=0=0下面分两种情况进行分析：下面分两种情况进行分析：讨论的方法：讨论的方法：5.1.3 5.1.3 基本工作原理基本工作原理2 21) V1) VGSGS=0 =0 加上漏源电压，看看在不同的漏源电压下管子导电能力的变化加上漏源电压，看看在不同的漏源电压下管子导电能力的变化下面几个图对比看看下面几个图对比看看下页有输出特性曲线下页有输出特性曲线利用上面的分析可以很好的解释实验

7、中在栅源利用上面的分析可以很好的解释实验中在栅源电压为零时所得到的电压为零时所得到的JFETJFET管的输出特性曲线管的输出特性曲线（下图）（下图）漏源电压较小漏源电压较小漏源电压饱和漏源电压饱和漏源电压较大漏源电压较大下面看看下面看看V VGSGS=0=0时候的漏特性时候的漏特性V VGSGS000V VCCCCV VDSDSV VCCCCV VDSDS对于对于N N沟，一般只有沟，一般只有V VGSGS00，此时，此时I IDSDS和和V VDSDS的关系与的关系与V VGSGS=0=0情况情况类似，只是曲线的斜类似，只是曲线的斜率变小、饱和漏源电率变小、饱和漏源电压压V VDsatDsa

8、t变小，变小，见下页见下页注意：注意：特性很简单，简要特性很简单，简要描述一下描述一下输出特性曲线输出特性曲线见下页详细分析输出特性曲线见下页详细分析输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线分析由特性曲线定性的分析三个区中电流、电压的关系：分析由特性曲线定性的分析三个区中电流、电压的关系：饱和区饱和区击穿区击穿区非饱和区非饱和区总结一下总结一下N N沟沟JFETJFET的工作原理与电学特性：的工作原理与电学特性：a a）V VGSGS、V VDSDS都能改变沟道上下两侧都能改变沟道上下两侧PNPN结势垒结势垒区的宽度，从而改变沟道的导电能力；区的宽度，从而改变沟道的导电能力；b b）V VGSGS

9、为定值时，分三种情况为定值时，分三种情况若若V VDSDSVVDsatDsat，I IDSDS随随V VDSDS线性增大线性增大若若V VDsatDsatVVDSDSBVBVDSDS，I IDSDS饱和，不随饱和，不随V VDSDS改变改变若若BVBVDSDSV沟道区沟道区N ND D单边突变结；单边突变结；3 3）沟道中载流子迁移率为常数；沟道中载流子迁移率为常数；4 4）忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源漏之间的电流之忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源漏之间的电流之有有y y分量；分量；5 5）栅结空间电荷区中满足栅结空间电荷区中满足求求pnpn结耗尽层宽结耗尽层宽度时，二维泊松度时，二维泊松方程

10、化成一维方程化成一维 现在利用此理论来分析求解，由于器件栅区现在利用此理论来分析求解，由于器件栅区结构的对称性，我们只讨论结构的对称性，我们只讨论器件的上半部器件的上半部。不考虑不考虑R RS SR RD D得到右边数学模型得到右边数学模型放大图，下页放大图，下页 先看看先看看非饱和区非饱和区直流电流、电压方程：直流电流、电压方程：非饱和区非饱和区I-VI-V方程：方程：232302322GSDDGSDSDDSDnDVVVVVqNaVLNaWqI返回跨导返回跨导要求解沟道电流，先判断此时沟道电流的类型？要求解沟道电流，先判断此时沟道电流的类型？dxxyVNWqyhadyyIDnN)()( 2)

11、(WyhayA)( 2)(yyVNqyAyIIDnND)()()()(2)(20yxqNVVyVDDGS)()(0yxqNdxydVDdyIdxyxqNNWqyhadyyIDDDnN)()( 2)(021)()0(hLxhx313221220223122hhhhaLNWqIDnD沟道电流沟道电流其中其中所以沟道电所以沟道电流流而栅结是单而栅结是单边突变结：边突变结：所以沟道电所以沟道电流流又因为又因为 所以对上式在整个沟道进行积分所以对上式在整个沟道进行积分可得：可得：210)(2)(DDGSqNVVyVyh21012DDGSqNVVh21022DDGSDSqNVVVh而栅结是单而栅结是单边突

12、变结：边突变结：所以可以得到所以可以得到非饱和区非饱和区I-VI-V方程：方程：232302322GSDDGSDSDDSDnDVVVVVqNaVLNaWqI 再看看再看看饱和区饱和区直流电流、电压方程：直流电流、电压方程：饱和区沟道被夹断，前面非饱和区方程已经不适用饱和区沟道被夹断，前面非饱和区方程已经不适用了，那么如何求饱和区的电流电压方程呢？了，那么如何求饱和区的电流电压方程呢？饱和区饱和区I-VI-V方程：方程：下页下页饱和区饱和区I-VI-V方程：方程：下页下页2300231PGSDPGSDDSSDVVVVVVIILNWqaIDnDSS0223620202DPqNaV最大饱和漏极电流最

13、大饱和漏极电流本征夹断电压漏源电压为零时本征夹断电压漏源电压为零时返回跨导返回跨导a a 夹断电压夹断电压V VP P：b b 最大饱和漏极电流最大饱和漏极电流 c c 最小沟道电阻最小沟道电阻R Rminmin: :d d 栅极截止电流栅极截止电流I IGSSGSS和栅源输入电阻和栅源输入电阻R RGSGS V VGSGS=0=0、V VDSDS足够小时的沟道电阻足够小时的沟道电阻导电沟道消失所需的栅源电压导电沟道消失所需的栅源电压栅结反向漏电流栅结反向漏电流饱和区中饱和区中V VDSDS=V=VGSGS时漏源电流时漏源电流e e 漏源击穿电压、输出功率漏源击穿电压、输出功率演示耗尽区随栅源

14、电压变大而变宽直到填充整个沟道区的动画演示耗尽区随栅源电压变大而变宽直到填充整个沟道区的动画沟道夹断前沟道夹断前P PP P如何求解如何求解JFETJFET的夹断电压呢？的夹断电压呢？a a 夹断电压夹断电压： 导电沟道消失所需的栅源电压导电沟道消失所需的栅源电压2102DpDdqNVVax2102DGSDdqNVVx020222aqNaqNVVDDDP0202DPqNaV0PDpVVV栅结是单边突变结，其空间电荷区的宽度为栅结是单边突变结，其空间电荷区的宽度为所以沟道刚好夹断时，栅结空间电荷区的宽度为所以沟道刚好夹断时，栅结空间电荷区的宽度为由此可以得到由此可以得到JFETJFET的夹断电压

15、为的夹断电压为LNWqaIDnDSS022362032PVLWab b 最大饱和漏极电流最大饱和漏极电流 饱和区中饱和区中V VD D=V=VGSGS时的漏源电流时的漏源电流饱和区饱和区I-VI-V方程：方程：2100231PGSDPGSDDSSDVVVVVVII0min122GaWNqLWxaNqLRDnDDnc c 最小沟道电阻最小沟道电阻R Rminmin: :V VGSGS=0=0、V VDSDS足够小时的沟道电阻足够小时的沟道电阻P PP Pd d 栅极截止电流栅极截止电流I IGSSGSS和栅源输入电阻和栅源输入电阻R RGSGS 栅极截止电流栅极截止电流：由于其栅结总是处于反偏状

16、态，：由于其栅结总是处于反偏状态，所以栅极截止电流就是所以栅极截止电流就是PNPN结少子反向扩散电结少子反向扩散电流、势垒区产生电流、表面漏电流的总和。流、势垒区产生电流、表面漏电流的总和。其值其值1010-9-91010-12-12A A之间之间栅源输入阻抗栅源输入阻抗：栅结反偏状态，所以栅源输入：栅结反偏状态，所以栅源输入阻抗相当高。其值阻抗相当高。其值10108 8欧姆以上。欧姆以上。e e 漏源击穿电压漏源击穿电压BGSDSBVVBVBGSDSBVVBVDsatDSDoVBVIPmax最大漏极电流最大漏极电流最高漏源峰值电压最高漏源峰值电压f f 输出功率输出功率由由 得得思考：漏源击

17、穿如何发生？击穿类型？思考：漏源击穿如何发生？击穿类型？3 3）直流特性的非理想效应直流特性的非理想效应 下面看看考虑了沟长调制效应后，饱和区电下面看看考虑了沟长调制效应后，饱和区电流电压特性的表达式。流电压特性的表达式。由图可见，有效沟道长度为由图可见，有效沟道长度为忽略空间电荷区中由于电流产生的电荷，沟道耗尽层长度忽略空间电荷区中由于电流产生的电荷，沟道耗尽层长度在一级近似下可按单边突变结耗尽层的模型计算，即在一级近似下可按单边突变结耗尽层的模型计算，即最大饱和漏电流为最大饱和漏电流为所以漏电流为所以漏电流为LLLeff210221DDSatDSsqNVVLeffDnDSSLNWqaI02

18、23*62LLLIILLIIIIDSatDSateffDSatDSSDSSDSat*2300231PGSDPGSDDSSDVVVVVVII 实际应用中，考虑了沟长调制效应之后，饱和区电流实际应用中，考虑了沟长调制效应之后，饱和区电流电压特性常常写成下面的形式：电压特性常常写成下面的形式：式中式中 为沟长调制系数，其定义如下：为沟长调制系数，其定义如下： 以上讨论说明，由于有效沟道长度随漏源电压变化，饱以上讨论说明，由于有效沟道长度随漏源电压变化，饱和区漏源电流变成了和区漏源电流变成了 的函数。的函数。 对于高频对于高频MESFET，典型的沟长为，典型的沟长为 级，由于沟长很级，由于沟长很短，所

19、以沟道长度调制效应影响较大。短，所以沟道长度调制效应影响较大。LLLeffDSDSatDSatVII1*DSLVLDSVm 以前讨论均认为沟道载流子迁移率为常数，这在沟道以前讨论均认为沟道载流子迁移率为常数，这在沟道场强较低时是成立比如沟道较长时场强较低时是成立比如沟道较长时 但是现代但是现代JFETJFET和和MESFETMESFET中，沟道仅中，沟道仅1 12 2微米，甚至更微米，甚至更短。即使只有几伏漏源电压，沟道中平均场强也可达到短。即使只有几伏漏源电压，沟道中平均场强也可达到10kV/cm10kV/cm以上，使沟道载流子速度饱和。以上，使沟道载流子速度饱和。关于电子漂移速关于电子漂移

20、速度随电场变化的度随电场变化的关系可见右图关系可见右图 沟道加上漏电压后，沟道厚度由源端到漏端逐渐变薄，沟道加上漏电压后，沟道厚度由源端到漏端逐渐变薄，所以载流子的速度首先在沟道靠近漏端处饱和，当载流子所以载流子的速度首先在沟道靠近漏端处饱和，当载流子速度饱和后，漏电流也因此饱和，设载流子速度饱和处的速度饱和后，漏电流也因此饱和，设载流子速度饱和处的耗尽区厚度为饱和厚度耗尽区厚度为饱和厚度 ，则有，则有 实践证明，短沟道器件的速度饱和效应使器件提前饱和，实践证明，短沟道器件的速度饱和效应使器件提前饱和，导致导致JFETJFET的有效增益降低。的有效增益降低。sathWhavqNIsatslDD

21、Sat 2 对于耗尽型器件，当对于耗尽型器件，当 小于阈值电压小于阈值电压 时，漏源之间时，漏源之间的漏电流称为亚阈值电流（此时器件本应截止，漏源电流的漏电流称为亚阈值电流（此时器件本应截止，漏源电流理想情况下为零）。此电流的主要成份为扩散电流。理想情况下为零）。此电流的主要成份为扩散电流。GSVTVeffDsnDSubALnnqDI4 4）低频小信号参数低频小信号参数跨导、漏电导跨导、漏电导 在交流电路中，器件的端电流和端电压均随时间变化，在交流电路中，器件的端电流和端电压均随时间变化，但在但在“小信号小信号”的情况下，其变化量比热电势还小得多，的情况下，其变化量比热电势还小得多，因此，可以

22、忽略电荷的储存效应，采用因此，可以忽略电荷的储存效应，采用“准静态准静态”近似的近似的方法来讨论其交流电流电压特性。方法来讨论其交流电流电压特性。 在下面的分析中，本应是交流参量，都将直接写成直在下面的分析中，本应是交流参量，都将直接写成直流参量，但应理解为准静态参量，并借用前面已经推导出流参量，但应理解为准静态参量，并借用前面已经推导出的直流特性的一些结论。的直流特性的一些结论。下面我们来讨论几个比较重要的交流参数：下面我们来讨论几个比较重要的交流参数： 跨导：跨导：一定的漏源电压下，漏源电流随栅源电压的变一定的漏源电压下，漏源电流随栅源电压的变化率。定义式如下化率。定义式如下物理意义：物理

23、意义：表示栅极电压对漏极电流的控制能力，是器表示栅极电压对漏极电流的控制能力，是器件的增益。件的增益。例如：例如：在一个单管交流放大电路中，如下图在一个单管交流放大电路中，如下图CVGSDSmDSVIgV VCCCCV VDSDSV VGSGS V VGSGS V VGSGSI IDSDS其电压增益：其电压增益： V VGSGSV VRLRL显然随其跨导显然随其跨导增加而变大增加而变大V VRLRL212121001GSDDGSDSPmVVVVVVGg21001PGSDmsVVVGg饱和区跨导饱和区跨导非饱和区跨导非饱和区跨导CVGSDSmDSVIg饱和区饱和区I IDSDS非饱和区非饱和区I

24、 IDSDS根据跨导下面的定义式根据跨导下面的定义式 由上式可见，由上式可见， 随随 上升而增大，当上升而增大，当 时，跨时，跨导达到最大值：导达到最大值： 在考虑了源端串联电阻之后，在考虑了源端串联电阻之后， ，故有效跨，故有效跨导为导为所以，器件的跨导与所以，器件的跨导与 成正比，同时也与成正比，同时也与 、 、载、载流子的迁移率和沟道厚度有关。流子的迁移率和沟道厚度有关。msgGSVGSDVV LWNaqGgDnm20maxDSSGSGSIRVVSmmGSGSGSDCVGSDmRggVVVIVIgDS1SS*LWDNSR毫安毫安/伏（伏（MA/V）与毫西）与毫西（mS）表示的是一样的量纲

25、）表示的是一样的量纲 0202DPqNaV非饱和区：非饱和区：物理意义：物理意义：表示漏源电压对漏电流的控制能力。表示漏源电压对漏电流的控制能力。CVDSDDGSVIgSCVGSDSmDSVIg21001PDGSDSDVVVVGg漏电导漏电导： （微分增量之比）比较比较 在考虑了漏源端串联电阻之后，在考虑了漏源端串联电阻之后， ，有效漏电导为有效漏电导为所以，串联电阻的存在会使器件的漏电导变小。所以，串联电阻的存在会使器件的漏电导变小。DSddDSDSDSDCVDSDdRRggVVVIVIgGS1SS*DSDDSSDSDSIRIRVV下页饱和区的漏电导饱饱 和和 区：区：所以需要讨论？看下页输

26、出特性曲线所以需要讨论？看下页输出特性曲线2300231PGSDPGSDDSSDSatVVVVVVII不不完完全全饱饱和和利用前面的经验公式：利用前面的经验公式：可得到饱和区的漏电导：可得到饱和区的漏电导：其中漏电流可用近似公式其中漏电流可用近似公式DSDSatDSatVII1*DSatdsIg21PGSDSSDSatVVIICVDSDDGSVIgS232302322GSDDGSDSDDSDnDVVVVVqNaVLNaWqI2300231PGSDPGSDDSSDSatVVVVVVII21PGSDSSDSatVVII5 5）本征电容和交流小信号等效电路）本征电容和交流小信号等效电路a a、本征电

27、容：、本征电容： 无论是无论是PNJFETPNJFET还是还是MESFETMESFET其势垒区都存在电容。其势垒区都存在电容。考虑到器件考虑到器件3 3个极中任何二极之间电位变化都会引起耗尽层电荷的变个极中任何二极之间电位变化都会引起耗尽层电荷的变化，所以研究者提出了多种关于结型场效应管的电容模型。为了简化，所以研究者提出了多种关于结型场效应管的电容模型。为了简便，这里引入栅源电容和栅漏电容。如图便，这里引入栅源电容和栅漏电容。如图C Cgsgs 是栅极下耗尽层电容。其充放电决定了是栅极下耗尽层电容。其充放电决定了FETFET的高频特性的高频特性C Cgdgd 是漏端栅漏间的耗尽层电容。它反映

28、了漏极与栅极间的反馈作用，是漏端栅漏间的耗尽层电容。它反映了漏极与栅极间的反馈作用，这个负反馈作用将影响这个负反馈作用将影响FETFET的高频增益。的高频增益。跨导下面分别看看这两个电容C Cgsgs 是栅漏电压为常数时，栅源电压是栅漏电压为常数时，栅源电压变化引起的栅结耗尽层电荷的变化，变化引起的栅结耗尽层电荷的变化，即：即： 沟道总电荷量沟道总电荷量C Cgdgd 是栅源电压为常数，漏源电压的是栅源电压为常数，漏源电压的变化引起栅结耗尽层电荷即沟道电荷变化引起栅结耗尽层电荷即沟道电荷的变化，即的变化，即对于非对称结构的对于非对称结构的MESFETMESFET，在，在 很很小的线性区，栅源电

29、容可以看成是平小的线性区，栅源电容可以看成是平板电容板电容CVGSCgsGDVQCGSDSGDVVVCQCVDSCgdGSVQCDSV WLhCsgs0210 21020DGSDsqNVVh为耗尽层宽度而而 可以认为是整个沟道厚度均可以认为是整个沟道厚度均等于等于 时的栅结耗尽层总电容。时的栅结耗尽层总电容。 又因为总的栅源电容满足下面的关系又因为总的栅源电容满足下面的关系所以栅漏电容此时可写为所以栅漏电容此时可写为 WLhCsgs0210 WLhs00 0hgdgsGSCCC WLhCsgd0210下面看看其交流小信号等效电路漏电流是漏电流是V VDS DS 、V VGSGS的函数的函数FE

30、TFET在交流状态下时，其电路连接如下图所示在交流状态下时，其电路连接如下图所示总的电流、电压都是直流分量、交流分量之和，即：总的电流、电压都是直流分量、交流分量之和，即：gsGSGSvVV0dsDSDSiII0b b、交流小信号等效电路：、交流小信号等效电路：DSGSDSVVfI,对对 两边求全微分得两边求全微分得所以有所以有再考虑到再考虑到 的充放电电流，则的充放电电流，则同理，可得同理，可得DSGSDSVVfI,DSVDSDSGSVGSDSDSdVVIdVVIdIGSDSdsdgsmdsvgvgigdCv vgsgsV VGS0GS0V VDS0DS0R RL LdtdvCdtdvCigdgdgsgsgdtdvCvgvgigdgddsdgsmdsC CDCDC 是速度饱和时的偶极层电容，通常很小，可以忽略是速度饱和时的偶极层电容，通常很小，可以忽略由上面的表达式，我们可以得到结型场效应管的交流小信由上面的表达式，我们可以得到结型场效应管的交流小信号等效电路如下：号等效电路如下：dtdvCdtdvCigdgdgsgsgdtdvCvgvg