双极和MOS晶体管

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,微电子技术基础,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,1,微电子技术基础,双极型和,MOS,晶体管,信息工程学院 姜梅,一、双极晶体管,1.,双极晶体管的结构,由两个相距,很近,的,PN,结组成：,分为：,NPN,和,PNP,两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射区,收集区,基区,发射结,收集结,发射极,收集极,基极,NPN,晶体管的电流输运,NPN,晶体管的电流转换,电子流,空穴流,2.,3.,晶体管的直流特性,共发射极的直流特性曲线,三个区域：,饱和区,放大区,截止区,4.,晶体管的特性参数,4.1,晶体管的电流增益（放大系数,）,共基极直流放大系数和交流放大系数,0,、,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数,0,、,4.2,晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,I,cbo,：,发射极开路时，收集结的反向漏电流,I,ebo,：,收集极开路时，发射结的反向漏电流,I,ceo,：,基极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一,4.3,晶体管的击穿电压,BV,cbo,BV,ceo,BV,ebo,BVceo,是晶体管的重要直流参数之一。它标志在共,发射极运用时，收集级,-,发射级间能承受的最大反向,电压。,4.4,晶体管的频率特性,（,1,）,截止频率,f,：,共基极电 流放大系数减小到低频值的,所对应的频率值,（,2,）,截止频率,f,：,（,3,）特征频率,f,T,：,共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,（,4,）最高振荡频率,f,M,：,功率增益为1时对应的频率,5.BJT,的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高,f,T,高速应用,整个发射上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压,VBE,与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷的存在,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计,BJT,的关键：,获得尽可能大的,I,C,和尽可能小的,I,B,缺点,2.3,MOS,场效应晶体管,场效应晶体管的定义,是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、,工艺简单、器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路,的主要有源器件。,双极型晶体管是通过控制基极电流达到控制集电极电流的,目的。而场效应管的输出电流由输入端电压控制，两者的控制,原理截然不同。,场效应管,结型场效应三极管,JFET,绝缘栅型场效应三极管,IGFET,Junction type Field Effect Transistor,Insulated Gate Field Effect Transistor,分类,N,沟道,P,沟道,金属氧化物半导体三极管,MOSFET,Metal Oxide Semiconductor FET,增强型（,EMOS,）,耗尽型（,DMOS,）,N,沟道,P,沟道,N,沟道,P,沟道,N,+,N,+,P,+,P,+,P,U,S,G,D,N,沟道,EMOSFET,结构示意图,源极,漏极,衬底极,SiO,2,绝缘层,金属栅极,P,型硅,衬底,S,G,U,D,电路符号,l,沟道长度,W,沟道宽度,S(Source),D(Drain),G(Gate),MOS,管结构,以,N,沟道增强型,MOS,管,为,例,G,栅极（基极）,S,源极（发射极）,D,漏极（集电极）,B,衬底,N,沟道增强型,MOSFET,基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在,P,型半导体上生成一层,SiO,2,薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的,N,型区，从,N,型区引出电极,MOS,管工作原理,以,N,沟道增强型,MOS,管为例,正常放大时外加偏置电压的要求,问题：如果是,P,沟道，直流偏置应如何加？,栅源电压,V,GS,对,i,D,的控制作用,V,GS,V,GS(th),V,DS,V,GS(th),V,DS,V,GS,V,GS(th),考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随,V,DS,的增加略有上翘。,注意：饱和区,(,又称有源区,),对应,三极管的放大区。,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则,I,D,的修正方程：,工作在饱和区时，,MOS,管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中，,称,沟道长度调制系数，其值与,l,有关。,通常,=(0.005 0.03)V,-,1,截止区,特点：,相当于,MOS,管三个电极断开。,I,D,/,mA,V,DS,/,V,O,V,DS,=V,GS,V,GS(th),V,GS,=5 V,3.5 V,4 V,4.5 V,沟道未形成时的工作区,条件：,V,GS,|V,P,|,时所对应的漏极电流。,输入电阻,R,GS,MOS,管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可认为无穷大。,饱和漏极电流,I,DSS,场效应管参数,低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，可以在转移特性曲线上求取。,最大漏极功耗,P,DM,最大漏极功耗可由,P,DM,=,V,DS,I,D,决定，与双极型三极管的,P,CM,相当。,低频跨导,g,m,以,MOS,管为例,BJT,与,FET,的比较,双极型三极管,场效应三极管,结构,NPN,型，,PNP,型,C,与,E,不可倒置使用,结型耗尽型：,N,沟道,P,沟道,绝缘栅增强型：,N,沟道,P,沟道,绝缘栅耗尽型：,N,沟道,P,沟道,D,与,S,可倒置使用,载流子,多子、少子均参与导电,多子参与导电,输入量,电流输入,电压输入,控制,电流控制电流,电压控制电流,