绝缘栅型场效应管6解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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：,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,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。,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。,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 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,）,D,S,G,N,符号,1.4.1,结型场效应管,一、结构,图,1.4.1,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,。,它是在,N,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。,P,沟道场效应管,图,1.4.2,P,沟道结型场效应管结构图,N,+,N,+,P,型沟道,G,S,D,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,G,D,S,二、工作原理,N,沟道结型场效应管,用改变,U,GS,大小来控制漏极电流,I,D,的。,G,D,S,N,N,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,I,D,减小，反之，漏极,I,D,电流将增加。,*,耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1.,设,U,DS,=0,，,在栅源之间加负电源,V,GS,，改变,V,GS,大小。观察耗尽层的变化。,I,D,=0,G,D,S,N,型沟道,P,+,P,+,(,a,),U,GS,=0,U,GS,=0,时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,U,GS,由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当,U,GS,=,U,P,，,耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压,U,P,为负值。,I,D,=0,G,D,S,P,+,P,+,N,型沟道,(,b,),U,GS,0,，在,栅源间加负电源,V,GS,，观察,U,GS,变化时耗尽层和漏极,I,D,。,U,GS,=0,，,U,DG,，,I,D,较大。,G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DS,V,GG,U,GS,0,，,U,DG,0,时，耗尽层呈现楔形。,(,a,),(,b,),G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DD,V,GG,U,GS,|,U,P,|,I,D,0,夹断,G,D,S,I,S,I,D,P,+,V,DD,V,GG,P,+,P,+,(,1,),改变,U,GS,，,改变了,PN,结中电场，控制了,I,D,，,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,),三、特性曲线,1.,转移特性,(,N,沟道结型场效应管为例,),O,U,GS,I,D,I,DSS,U,P,图,1.4.6,转移特性,U,GS,=0,，,I,D,最大；,U,GS,愈负，,I,D,愈小；,U,GS,=,U,P,，,I,D,0,。,两个重要参数,饱和漏极电流,I,DSS,(,U,GS,=0,时的,I,D,),夹断电压,U,P,(,I,D,=0,时的,U,GS,),U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图,1.4.5,特性曲线测试电路,+,mA,1.,转移特性,O,u,GS,/,V,I,D,/,mA,I,DSS,U,P,图,1.4.6,转移特性,2.,漏极特性,当栅源 之间的电压,U,GS,不变时，漏极电流,I,D,与漏源之间电压,U,DS,的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,I,DSS,/V,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,U,GS,=0V,-,1,-,2,-,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,U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图,1.4.5,特性曲线测试电路,+,mA,图,1.4.6,(,b,),漏极特性,U,GS,越大，预夹断时的,U,DS,也就越大，形成预夹断轨迹。,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。,U,DS,=,常数,I,D,/,m,A,0,-,0.5,-,1,-,1.5,U,GS,/V,U,DS,=15 V,5,I,D,/,mA,U,DS,/,V,0,U,GS,=0,-,0.4 V,-,0.8 V,-,1.2 V,-,1.6 V,10,15,20,25,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达,10,7,以上。,如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图,1.4.7,在漏极特性上用作图法求转移特性,1.4.2,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,10,10,以上。,类型,N,沟道,P,沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,一、,N,沟道增强型,MOS,场效应管,1.,结构,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,SiO,2,源极,S,漏极,D,衬底引线,B,栅极,G,图,1.4.8,N,沟道增强型,MOS,场效应管的结构示意图,U,GS,=0,时漏源间存在导电沟道称,耗尽型场效应管；,U,GS,=0,时漏源间不存在导电沟道称,增强型场效应管。,绝缘栅场效应管利用,U,GS,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,I,D,。,工作原理分析,(,1,),U,GS,=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,。,S,B,D,图,1.4.9,2,、,N,沟道,增强型,MOS,场,效应管工作原理,P,型衬底,N,+,N,+,G,S,D,SiO,2,当,V,GS,较小,时，虽然在,P,型衬底表面形成一层,耗尽层,，但负离子不能导电。,当,V,GS,=V,T,时,在,P,型衬底表面形成一层,电子层,，形成,N,型导电沟道，,在,V,DS,的作用下形成,i,D,。,V,T,叫做开启电压。,增强型,MOS,管,V,DS,i,D,+,+,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,V,GS,反型层,当,V,GS,V,T,时,沟道加厚，沟道电阻减少，,在相同,V,DS,的作用下，,i,D,将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在,V,GS,V,T,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,:U,DS,不变时，,(,2,),U,GS,0,当,V,GS,V,T,，,且固定为某一值时，来分析漏源电压,V,DS,的不同变化对导电沟道和漏极电流,I,D,的影响。,当,V,DS,为,不等于,0,且很小时,，,相当,V,GD,V,T,此时,V,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在,V,DS,作用下形成,I,D,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,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,当,V,DS,增加,I,D,也增加，同时导电沟道宽度的不均匀性也加剧，当,V,DS,增加到使,V,GD,=,V,T,时，,当,V,DS,增加到,V,GD,V,T,时，,这相当于,V,DS,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,I,D,基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向,S,极。,V,DS,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,I,D,基本趋于不变。,U,DS,对导电沟道的影响,(,U,GS,U,T,),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流,I,D,。,b.,U,DS,=,U,GS,U,T,，,U,GD,=,U,T,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.,U,DS,U,GS,U,T,，,U,GD,U,T,由于夹断区的沟道电阻很大，,U,DS,逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，,I,D,因而基本不变。,a.,U,DS,U,T,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,D,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,图,1.4.11,U,DS,对导电沟道的影响,(,a,),U,GD,U,T,(,b,),U,GD,=,U,T,(,c,),U,GD,U,T,3.,特性曲线,(,a,),转移特性,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,U,GS,U,T,时,),三个区：可变电阻区、恒流区,(,或饱和区,),、,击穿区。,U,T,2,U,T,I,DO,U,GS,/V,I,D,/,mA,O,图,1.4.12,(,a,),图,1.4.12,(,b,),二、,N,沟道耗尽型,MOS,场效应管,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,+,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,U,GS,=0,也会形成,N,型导电沟道。,+,+,U,GS,=0,，,U,DS,0,，,产生较大的漏极电流；,U,GS,0,的情况下工作，此时导电沟道比,U,GS,=0,时,更宽，,I,D,更大,P,型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,+,N,沟道耗尽型,MOS,管特性,工作条件：,U,DS,0,；,U,GS,正、负、零均可。,I,D,/,m,A,U,GS,/V,O,U,P,(,a,),转移特性,I,DSS,N,沟道增强型,N,沟道耗尽型,S,G,D,B,S,G,D,B,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,+1V,U