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    場效應晶體管工作原理
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  •   發(fā)布日期: 2021-08-19  瀏覽次數(shù): 4,847

    場效應管是較新型的半導體材料,利用電場效應來控制晶體管的電流,因而得名。它的外型也是一個三極管,因此又稱場效應三極管。它只有一種載流子參與導電的半導體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分,它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結(jié)構(gòu)來劃分,它有結(jié)型場效應三極管和絕緣柵型場效應三極管之分。

    1.結(jié)型場效應三極管

    (1) 結(jié)構(gòu)

    N溝道結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié),形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個P區(qū)即為柵極,N型硅的一端是漏極,另一端是源極。


    圖1結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)

    (2) 工作原理

    以N溝道為例說明其工作原理。

    當UGS=0時,在漏、源之間加有一定電壓時,在漏源間將形成多子的漂移運動,產(chǎn)生漏極電流。當UGS<0時,PN結(jié)反偏,形成耗盡層,漏源間的溝道將變窄,ID將減小,UGS繼續(xù)減小,溝道繼續(xù)變窄,ID繼續(xù)減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。

    (3)特性曲線

    結(jié)型場效應三極管的特性曲線有兩條,一是輸出特性曲線(ID=f(UDS)|UGS=常量),二是轉(zhuǎn)移特性曲線(ID=f(UGS)|UDS=常量)。N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線如圖2所示。


    (a) 漏極輸出特性曲線             (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

    圖2N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線

    2. 絕緣柵場效應三極管的工作原理

    絕緣柵場效應三極管分為:耗盡型 →N溝道、P溝道   增強型 →N溝道、P溝道

    (1)N溝道耗盡型絕緣柵場效應管

    N溝道耗盡型的結(jié)構(gòu)和符號如圖3(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當UGS=0時,這些正離子已經(jīng)感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當UGS>0時,將使ID進一步增加。UGS<0時,隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的UGS稱為夾斷電壓,用符號UGS(off)表示,有時也用UP表示。N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖30(b)所示。


    (a) 結(jié)構(gòu)示意圖          (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

    圖3N溝道耗盡型絕緣柵場效應管結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

    (2)N溝道增強型絕緣柵場效應管

    結(jié)構(gòu)與耗盡型類似。但當UGS=0 V時,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。 當柵極加有電壓時,若0UGS(th)時,形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在UGS=0V時ID=0,只有當UGS>UGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流,這種MOS管稱為增強型MOS管。

    N溝道增強型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線,見圖4。


    圖4轉(zhuǎn)移特性曲線

    (3)P溝道MOS管

    P溝道MOS管的工作原理與N溝道MOS管完全相同,只不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

    3 主要參數(shù)

    (1) 直流參數(shù)

    指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場效應三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時所對應的漏極電流)、輸入電阻RGS.

    (2) 低頻跨導gm

    gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取,單位是mS(毫西門子)。

    (3) 最大漏極電流IDM

    2 場效應半導體三極管

    場效應半導體三極管是只有一種載流子參與導電的半導體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分,它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結(jié)構(gòu)來劃分,它有結(jié)型場效應三極管JFET(Junction type Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET (Metal Oxide Semicon-ductor FET)。

    2.2.1 絕緣柵場效應三極管的工作原理

    絕緣柵場效應三極管(MOSFET)分為:

    增強型 →N溝道、P溝道

    耗盡型 →N溝道、P溝道

    N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖02.13。 電極D(Drain)稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;

    G(Gate)稱為柵極,相當于的基極;

    S(Source)稱為源極,相當于發(fā)射極。

    (1)N溝道增強型MOSFET

    ① 結(jié)構(gòu)

    根據(jù)圖02.13,N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結(jié)構(gòu),它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)引出電極,一個是漏極D,一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底,用符號B表示。


    圖02.13 N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號

    ② 工作原理

    1.柵源電壓VGS的控制作用

    當VGS=0 V時,漏源之間相當兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

    當柵極加有電壓時,若0

    進一步增加VGS,當VGS>VGS(th)時( VGS(th) 稱為開啟電壓),由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強,在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子,因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,只有當VGS>VGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流,這種MOS管稱為增強型MOS管。

    VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(vGS)?VDS=const這一曲線描述,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,見圖02.14。


    圖02.14 轉(zhuǎn)移特性曲線

    轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V,所以gm也稱為跨導。

    跨導的定義式如下:


    2.漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用

    當VGS>VGS(th),且固定為某一值時,來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖02.15所示。根據(jù)此圖可以有如下關系


    當VDS為0或較小時,相當VGD>VGS(th),溝道分布如圖02.15(a),此時VDS 基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處,溝道達到開啟的程度以上,漏源之間有電流通過。

    當VDS增加到使VGD=VGS(th)時,溝道如圖02.15(b)所示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為預夾斷,此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD?VGS(th)時,溝道如圖02.15(c)所示。此時預夾斷區(qū)域加長,伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上, ID基本趨于不變。


    圖02.15 漏源電壓VDS對溝道的影響(動畫2-5)

    當VGS>VGS(th),且固定為某一值時,VDS對ID的影響,即iD=f(vDS)?VGS=const這一關系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。


    (a) 輸出特性曲線 (b)轉(zhuǎn)移特性曲線

    圖02.16 漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線

    (2)N溝道耗盡型MOSFET

    N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖02.17(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時,這些正離子已經(jīng)感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步增加。VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號VGS(off)表示,有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。


    (a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

    圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

    (3)P溝道耗盡型MOSFET

    P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

    4.2.2 伏安特性曲線

    場效應三極管的特性曲線類型比較多,根據(jù)導電溝道的不同以及是增強型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定的正方向,特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制,將P溝道管子的正方向反過來設定。有關曲線繪于圖02.18之中。


    圖02.18 各類場效應三極管的特性曲線

    4.2.3 結(jié)型場效應三極管

    (1) 結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)

    結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場效應三極管相似,工作機理也相同。結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)如圖02.19所示,它是在N型半導體硅片的兩側(cè)各制造一個PN結(jié),形成兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個P區(qū)即為柵極,N型硅的一端是漏極,另一端是源極。

     

    圖02.19 結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu)

    (2) 結(jié)型場效應三極管的工作原理

    根據(jù)結(jié)型場效應三極管的結(jié)構(gòu),因它沒有絕緣層,只能工作在反偏的條件下,對于N溝道結(jié)型場效應三極管只能工作在負柵壓區(qū),P溝道的只能工作在正柵壓區(qū),否則將會出現(xiàn)柵流?,F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。

    ① 柵源電壓對溝道的控制作用

    當VGS=0時,在漏、源之間加有一定電壓時,在漏源間將形成多子的漂移運動,產(chǎn)生漏極電流。當VGS<0時,PN結(jié)反偏,形成耗盡層,漏源間的溝道將變窄,ID將減小,VGS繼續(xù)減小,溝道繼續(xù)變窄,ID繼續(xù)減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。

    ② 漏源電壓對溝道的控制作用

    在柵極加有一定的電壓,且VGS>VGS(off),若漏源電壓VDS從零開始增加,則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬,溝道變窄,從左至右呈楔形分布,如圖02.21(a)所示。當VDS增加到使VGD=VGS—VDS=VGS(off)時,在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷,如圖02.21(b)所示。當VDS繼續(xù)增加,漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應三極管的十分相似。

    (3) 結(jié)型場效應三極管的特性曲線

    結(jié)型場效應三極管的特性曲線有兩條,一是轉(zhuǎn)移特性曲線,二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場效應三極管的特性曲線基本相同,只不過絕緣柵場效應管的柵壓可正、可負,而結(jié)型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線如圖02.22所示。


     

    (a) 漏極輸出特性曲線(動畫2-6) (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線(動畫2-7)

    圖02.22 N溝道結(jié)型場效應三極管的特性曲線

    4.2.4 場效應三極管的參數(shù)和型號

    (1) 場效應三極管的參數(shù)

    ① 開啟電壓VGS(th) (或VT)

    開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù),柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。

    ② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

    夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù),當VGS=VGS(off) 時,漏極電流為零。

    ③ 飽和漏極電流IDSS

    耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流。

    ④ 輸入電阻RGS

    場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值,對于結(jié)型場效應三極管,反偏時RGS約大于107Ω,對于絕緣柵場型效應三極管,RGS約是109~1015Ω。

    ⑤ 低頻跨導gm

    低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用,這一點與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取,單位是mS(毫西門子)。

    ⑥ 最大漏極功耗PDM

    最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定,與雙極型三極管的PCM相當。

    (2) 場效應三極管的型號

    場效應三極管的型號,現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同,第三位字母J代表結(jié)型場效應管,O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料,D是P型硅,反型層是N溝道;C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場效應三極管,3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管。

    第二種命名方法是CS××#,CS代表場效應管,××以數(shù)字代表型號的序號,#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如,CS14A、CS45G等。

    4.2.5 雙極型和場效應型三極管的比較

     



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