电路分析之半导体器件基础3

电路与电子线路基础电路部分11.4场效应三极管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。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。电路与电子线路基础电路部分2N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：电路与电子线路基础电路部分3DSGN符号1.4.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor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。电路与电子线路基础电路部分4P沟道场效应管P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电路与电子线路基础电路部分5一、结型场效应管工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)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。电路与电子线路基础电路部分61.当UDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用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由零逐渐减小，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.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS(off)UGS0VGGID=0GDSP+P+(c)UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示电路与电子线路基础电路部分72.当uGS为UGS（Off)~0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。uGS=0，uGDUGS（Off)，iD较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS0，uGDUGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDSuGS0;uDS0电路与电子线路基础电路部分8GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS0,uGDuGS(off),夹断，iD几乎不变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)电路与电子线路基础电路部分93.当uGDuGS(off),时，,uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。在uGD＝uGS－uDSuGS(off),当uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)电路与电子线路基础电路部分10小结(1)在uGD＝uGS－uDSuGS(off)情况下,即当uDSuGS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGDuGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。电路与电子线路基础电路部分11二、结型场效应管的特性曲线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特性曲线测试电路+mA电路与电子线路基础电路部分12转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.输出特性曲线当栅源之间的电压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)GSDSSDuUUuIi≤≤电路与电子线路基础电路部分13IDSS/VPGSDSUUUiD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8PU预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。图1.4.5(b)漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图1.4.5(a)特性曲线测试电路+mA击穿区电路与电子线路基础电路部分14＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线+++o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。电路与电子线路基础电路部分151.4.2绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor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1010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。电路与电子线路基础电路部分16一、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图1.4.7N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB电路与电子线路基础电路部分171.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。2.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电路与电子线路基础电路部分18(2)UDS=0，0UGSUGS(th)P型衬底N+N+BGSD栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。VGG(3)UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。电路与电子线路基础电路部分19(4)UDS对导电沟道的影响(UGSUT)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.UDSUGS–UT，UGDUT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.UDSUGS–UT，即UGD=UGS–UDSUTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区电路与电子线路基础电路部分20DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.9UDS对导电沟道的影响(a)UGDUT(b)UGD=UT(c)UGDUT在UDSUGS–UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。电路与电子线路基础电路部分213.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGSUT，iD=0；UGS≥UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2TGSDOD)1(UuIi(当UGSUT时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图1.4.10(a)图1.4.10(b)iD/mAuDS/VOTGSUU预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区。UGS增加电路与电子线路基础电路部分22二、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；UGS0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD减小；UGS=UP,感应电荷被“耗尽”，iD0。UP或UGS(off)称为夹断电压图1.4.11电路与电子线路基础电路部分23N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS0；UGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=03V1V2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET电路与电子线路基础电路部分24三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)0当UGSUGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道电路与电子线路基础电路部分25种类符号转移特性曲线输出特性曲线结型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各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0VuDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO电路与电子线路基础电路部分26种类符号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型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+电路与电子线路基础电路部分271.4.3场效应管的主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UP或UGS(off)3.开启电压UT或UGS(th)4.直流输入电阻RGS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。电路与电子线路基础电路部分28二、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。常数DSGSDmΔΔUuig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。电路与电子线路基础电路部分29三、极限参数3.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS4.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。1.最大漏极电流IDM电路与电子线路基础电路部分30例1.4.2电路如图1.4.14所示，其中管子T的输出特性曲线如图1.4.15所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？图1.4.14图1.4.15分析：N沟道增强型MOS管，开启电压U