半导体场效应管

1、半导体场效应管 场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的子的N沟道器件和空穴作为载流子的沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。沟道器件。 从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。从场效应三极管的结构来划分，它有两大类。 1.结型场效应三极管结型场效应三极管JFET (Junction type Field Effect Transister) 2.绝缘栅

2、型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管IGFET ( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET也称金属氧化物半导体三极管也称金属氧化物半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）2.3.1 2.3.1 结型场效应管结型场效应管 1.1.结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构 JFET的结构如图所示，它是在的结构如图所示，它是在N型半导体硅片的两型半导体硅片的两侧各制造一个侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道型沟道的结构。的结构。P区即为栅极，区即为栅极， N型硅的

3、一端是漏极，另一端型硅的一端是漏极，另一端是源极。是源极。 结型场效应三极管的结构（动画2-8） (1) 栅源电压对沟道的控制作用（栅源电压对沟道的控制作用（uDS =0） 当当uGS=0时，耗尽层较窄，时，耗尽层较窄，导电沟道最宽。导电沟道最宽。 当当uGS0时，时，PN结反偏，结反偏，耗尽层变宽，漏、源间的耗尽层变宽，漏、源间的沟道将变窄，沟道将变窄，uGS继续减继续减小，沟道继续变窄，沟道小，沟道继续变窄，沟道电阻加大，当电阻加大，当uGS增加到增加到某一值时，两侧的耗尽层某一值时，两侧的耗尽层相碰，沟道被夹断，沟道相碰，沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，这时的电阻趋于无穷大，这时的uGS

4、称为夹断电压称为夹断电压UGS(off)。 uGS对沟道的控制作用 2. 2. 结型场效应三极管的工作原理结型场效应三极管的工作原理 (2) 漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用（动画2-9） (3) UGS(off)uGS0的情况的情况(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线 N沟道结型场效应管的特性曲线动画（2-6） 动画（2-7） 3.3.结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线UGS(off) 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些

5、场合仍嫌不够高。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。2.3.2 2.3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为分为 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道一个是漏极一个是漏极D，

6、一个是源极一个是源极S。在源极和漏极之间的在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为绝缘层上镀一层金属铝作为栅极栅极G。P型半导体称为型半导体称为衬底，用符号衬底，用符号B表示。表示。 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOSFET(1)结构结构 N沟道增强型沟道增强型MOSFET是在是在P型半导体上生成一层型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引出电极，型区引出电极， N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3） 当栅极加有电压时，若当栅极加有电压时，若0uGSUGS(th)时，通过栅极和时，

7、通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的下方的P型半导体中的空穴向下型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能形成漏极电流iD。(2)(2)工作原理工作原理 栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，二极管，在在D、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在

8、D、S间形成电流。间形成电流。 uGS对漏极电流的控制关系可用对漏极电流的控制关系可用 iD=f(uGS) uDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线这一曲线描述，称为转移特性曲线 进一步增加进一步增加UGS，当当uGSUGS(th)时时( UGS(th) 称为开启电压称为开启电压)，由于此，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的栅极下方的P型半导体表层中聚集较型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流压，就可以形成漏极电流iD。

9、在栅在栅极下方形成的导电沟道中的电子，极下方形成的导电沟道中的电子，因与因与P型半导体的载流子空穴极性型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。相反，故称为反型层。 (动画动画2-4） 随着随着uGS的继续增加，的继续增加，iD将不断增加。将不断增加。 uGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线 转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为的量纲为mA/V，所以所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下也称为跨导。跨导的定义式如下 gm= ID/ UGS uDS=const (单位单位mS)UGS(th)

10、iD=f(uGS)uDS=const漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用 当当uGSUGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电且固定为某一值时，来分析漏源电压压uDS对漏极电流对漏极电流iD的影响。的影响。 漏源电压VDS对沟道的影响(动画2-5) 漏极输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const 2.2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 UGS(off)3.3.特性曲线特性曲线 场效应管的特性曲线类型比较多，根据场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽导电沟道的不同，以及是增强型还是

11、耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。其电压和电流方向也有所不同。2.3.3 2.3.3 场效应管的主要参数和电路模型场效应管的主要参数和电路模型1. 1. 场效应三极管的主要参数场效应三极管的主要参数 开启电压开启电压UGS(th) (或或UT) 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。场效应管不能导通。 夹断电压夹断电压UGS(off) (或或UP) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当uGS=UGS(o

12、ff) 时时,漏极电流漏极电流为零。为零。 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管, 当当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 输入电阻输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于对于结型场效应三极管，反偏时结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，对于对于绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管, RGS约是约是1091015。 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。这一点与电子管的控制作用相似。gm

13、可以在转可以在转 移特移特性曲线上求取，单位是性曲线上求取，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，当场效应决定，当场效应管的温度达到其极限温度管的温度达到其极限温度tj时所对应的漏极功耗。与时所对应的漏极功耗。与双极型三极管的双极型三极管的PCM相当。相当。2.电路模型电路模型附录附录 场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场代表结型场效应管，效应

14、管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，材料，D是是P型硅，反型层是型硅，反型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟沟道。例如道。例如,3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。 第二种命名方法是第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号用字母代表同一型号中的不同规格。例如中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。等。几种常用的场效应三极管的主要参数见表几种常用的场效应三极管的主要参数见表0

15、2.02。表02.02 场效应三极管的参数 参 数型号PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 半导体三极管图片半导体三极管图片2.3.4 2.3.4 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强

16、型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多or少子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm) 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成3、三极管的主要参数及电路模型小信号前提结构物理模型的方法 混合型微变等效电路 简化 低频简化型微变等效电路)(26)1 (mAImVrrrrEbbebbbbe)(5 .3826)(mSImVmAIrgCEebm上节课内容提要上节课内容提要1、结型场效应管