14绝缘栅型场效应管6解析课件

1、1. PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场，PN结呈现低阻性，耗尽层变薄。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；内外二、PN结的单向导电性复习：1. PN结加正向电压时的导电情况外电场方向与PN结内电场方2. PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。PN结呈现高阻性,耗尽层加宽。P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏.内外2. PN结加反向电压时的导电情况外电场与PN结内电场P区的 场效应管仅是由一种载流子参与导电的半导体器件，是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。从参与导电的

2、载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。 1.4 场效应三极管它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 场效应管仅是由一种载流子参与导电的半导体器件，是通过特点单极型器件(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。特点单极型器件(一种载流子导电)； 输入电阻高；工艺简单、易根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(Junction type Field

3、Effect Transister) JFET) 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister) IGFET). IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:DSGN符号1.4.1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。它是在N

4、型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图 1.4.1NP 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GSD P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。符号GDSP 沟道场效应管图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图N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

5、 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。二、工作原理 N 沟道结型场效应管用改变 UG1. 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 = UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UP 为负值。ID = 0GDSP+P+N型沟道 (b) UGS 0，在栅源间加负电源 VGS，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UDG ，ID 较大。

6、GDSP+NISIDP+P+VDSVGG UGS 0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)2. 在漏源极间加正向 VDS，使 UDS 0，在栅GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,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)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS VT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。开始时无导电沟道，当在

7、VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管 MOSFET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。一方面:UDS不变时，(2)UGS 0 当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层， 当VGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。 当VDS为不等于0且很小时，相当 VGDVT ,此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID但是此时导电沟道呈现一个楔形。增强型MOS管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压V当

8、VDS增加ID也增加， 同时导电沟道宽度的不均匀性也加剧，当VDS增加到使VGD=VT时，当VDS增加到VGDVT时， 这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，导电沟道两端的电压几乎不变，所以ID基本趋于不变。当VDS增加ID也增加， 同时导电沟道宽度的不均匀性也加剧，UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c. UDS UG

9、S UT， UGD UT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变，ID 因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT)导电沟道呈DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图 1.4.11UDS 对导电沟道的影响(a) UGD UT(b) UGD = UT(c) UGD UTDP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSD3. 特性曲线(

10、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 UT 时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图 1.4.12 (a)图 1.4.12 (b)3. 特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS 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，UDS 0，产生较大的漏极电流；UGS 0的情况下工作，此时导

11、电沟道比UGS = 0时更宽， ID更大P型衬底N+N+BGSD+N 沟道耗尽型 MOS 场效应管也允许在UGS 0的情况N 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。ID/mAUGS /VOUP(a)转移特性IDSSN沟道增强型N沟道耗尽型SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520图 1.4.14特性曲线N 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件：ID/mAUGS /1.4.3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 UP3. 开启电压 UT4. 直流输入电阻 RGS

12、为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。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 。1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流 ID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。一般为几个皮法。二、交流参数1. 低频跨导 gm2. 极间电容 三、极限参数

13、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 由场效应管允许的温升决定。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UGS U(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。三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿种 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= 0V-UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSO种 类符