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Chapter 4 §1.5 场效应晶体管 绝缘栅场效应晶体管(MOSFET ) 结型场效应晶体管 (JFET ) 场效应晶体管的参数 1.5.1 绝缘栅场效应晶体管 N沟道增强型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET P沟道增强型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 1.5.3 双极型和场效应型晶体管的比较 小结与要求 * 思考的问题: 三极管工作时,总是从信号源吸取电流,它是一种电流控制型的器件,输入阻抗较低。 那么,场效应管是通过什么方式来控制的?有什么特点? × 场效应管晶体管(Field Effect Transistor——FET)是利用电场效应来控制的有源器件,它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点,还具有输入电阻高(MOSFET最高可达1015Ω)、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路(IC)以及微波电路中得到广泛应用。 按照结构特点,场效应晶体管可分两大类: 绝缘栅型场效应管(IGFET) 结型场效应管(JFET) 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属(铝)栅极和半导体之间的绝缘层 ,又称金属-氧化物-半导体场效应管,简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。 √ 1 N沟道增强型MOSFET的结构 取一块P型半导体作为衬底,用B表示。 用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。 然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。(绿色部分) 从N型区引出电极,一个是漏极D(Drain,相当于C),一个是源极S(Source,相当于E)。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G(Grid,相当于B)。 N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要在外部连接。 2 N沟道增强型MOSFET的工作原理 对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理,分两个方面进行讨论,一是栅源电压UGS对沟道会产生影响,二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响,从而对输出电流,即漏极电流ID产生影响。 1.栅源电压UGS的控制作用 先令漏源电压UDS=0,加入栅源电压UGS以后并不断增加。 UGS带给栅极正电荷,会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走,从而形成一层负离子层,即耗尽层,用绿色的区域表示。 同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷,若电子数量较多,从而在漏源之间可形成导电沟道。 沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反,称为反型层。此时若加上UDS ,就会有漏极电流ID产生。 反型层 显然改变UGS就会改变沟道,从而影响ID ,这说明UGS对ID的控制作用。 当UGS较小时,不能形成有 效的沟道,尽管加有UDS ,也不 能形成ID 。当增加UGS,使ID刚 刚出现时,对应的UGS称为开启 电压,用UGS(th)或UT表示。 2.漏源电压UDS的控制作用 设UGS>UGS(th),增加UDS,此时沟道的变化如下。 显然漏源电压会对沟道产生影响,因为源极和衬底相连接,所以加入UDS后, UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内,漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。所以加入UDS后,在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区,从而影响沟道的导电性。 当UDS进一步增加时, ID会不断增加,同时,漏端的耗尽层上移,会在漏端出现夹断,这种状态称为预夹断。 预夹断 当UDS进一步增加时, 漏端的耗尽层向源极伸展,此时ID基本不再增加,增加的UDS基本上降落在夹断区。此时ID只受UGS控制,进入线性放大区。 3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线。 1).转移特性曲线 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示,它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系,可用这个关系式来表达,这条特性曲线称为转移特性曲线。 转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm称为跨导。这是场效应三极管的一个重要参数。 单位mS(mA/V) 2).漏极输出特性曲线 当UGS>UGS(th),且固定为某一值时,反映UDS对ID的影响,即I
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