MOSFET基础知识介绍课件

1、FET基礎知識及電參數測試介紹第1页，共27页。场效应三极管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型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。第2页，共27页。DSGN符号结型场效应管一、结构图 1 N 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。第3页，共27页。P 沟道场效应管图 2P 沟道结型场效应管结构

2、图N+N+P型沟道GSD P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第4页，共27页。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。第5页，共27页。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

3、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。第6页，共27页。1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 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，导电沟道被夹断，夹断电压 UGS(off) 为负值。ID = 0GDSP+P+N型沟道 (b) UGS 0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UGS 变化时耗尽层

4、和漏极 ID 。UGS=0,UDG ， ID 较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)第8页，共27页。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off) |, 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)第9页，共27页。三、特性曲线1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例)O UGSIDIDSSUGS(off)圖

5、5 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圖4 特性曲线测试电路+mA第10页，共27页。1. 转移特性O uGS/VID/mAIDSSUGS(off)图 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： 第11页，共27页。IDSS/VID/mAUDS /VOUGS = 0V-1 -2

6、-3 -4 -5 -6 -7 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 7特性曲线测试电路+mA图 8漏极特性第12页，共27页。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 = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0-0.4 V-0.8 V-1.2 V-1.6 V101520250.10.20.30.40.5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

7、到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图 9在漏极特性上用作图法求转移特性第13页，共27页。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。第14页，共27页。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 10N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图第15页，共27页。2.

8、 工作原理 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 11第16页，共27页。(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。b. UDS=UGS UGS(th)， UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)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

9、变，ID 因而基本不变。a. UDS UGS(th)P 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区第18页，共27页。DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图 12UDS 对导电沟道的影响(a) UGD UGS(th)(b)UGD= UGS(th)(c)UGD UGS(th)第19页，共27页。3. 特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS /VO预夹断轨迹恒流区击穿区 可变电阻区UGS UGS(th) 时)三个区：可变电阻区、恒流区

10、(或饱和区)、击穿区。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAO图 13图 14第20页，共27页。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；UGS 0；UGS 正、负、零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)(a)转移特性IDSS图 1.4.15MOS 管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V

11、-2 V43215101520图 16特性曲线第22页，共27页。场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压 UGS(off)/开启电压 UGS(th)3. 直流输入电阻 RGS 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 。第23页，共27页。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。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

12、几个皮法。第24页，共27页。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 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。第25页，共27页。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SGDSGDIDUGS= 0V+UDS+oSGDBUGSIDOUT表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS = UTUDSID+OIDUGS=