半导体器件(蔡大华)2(场效应管

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1、1.4场效应管场效应管的结构和原理4.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102~104；场效应管的输入电阻高，可达109~1014场效应管与晶体管的区别场效应管分类：MOSFET(IGFET)JFETFETDSGN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

2、型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。分类：N沟道和P沟道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。P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD符号GDSP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。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*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.当UDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用ID=0GDS

3、N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)UGS（Off)，iD较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0，uGD>UG

4、S（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDSGDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS<0,uGD

5、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)情况下,即当uDS

6、(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。为什么叫场效应管？从外部看：是利用改变电压UGS来控制iD，但从PN结内部看：是利用改变电场控制PN结宽度，进而来控制iD的，所以叫场效应管。因为uGS≤0V，PN结反偏，iG=0，uGS变，iG总为零。所以讨论输入特性没有意义，但FET有转移特性。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)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA图1.4.6场效应管的转移特性曲线1.转移特性两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UG

7、S=0时的iD)夹断电压UGS(off)(iD=0时的UGS)夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。当uGS=0V时,iD最大=IDSS；uGS愈负，iD愈小；当uGS=UGS（OFF）时，iD最小=0。在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值,建立uGS、iD坐标系，连接各点所得曲线就是转移特性曲线。如图示,可见转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系。从输出特性画转移特性。图1.4.6场效应管的转移特性曲线IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5

8、-6-7预夹断轨迹恒流区