微电子元器件场效应晶体管.pptxVIP

第六章场效应晶体管场效应：半导体的电导被垂直于半导体表面的电场调制的效应叫做场效应单极型晶体管：只有一种载流子参与导电过程的半导体器件。场效应晶体管可分为：1、结型场效应晶体管（ JFET）；2、金属一半导体场效应晶体管(MESFET) ；3、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)。6.1场效应晶体管的工作原理场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它利用输入电压来控制输出电流的变化。具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。 6.1.1晶体管的负载线 由实验测得电压和电流的对应关系，可得器件的I-V特性曲线。该电路的电压回路方程可写为：负载线与特性曲线交点对应的电流ID电压VD即为器件在这种偏置条件下的稳态电流和电压。为器件增加一控制电极VG，VG增大时，通过器件的电流增大。 VG不同，对应Id~VD 特性曲线不同，由此可得到一簇Id~VD 特性曲线。 器件的工作状态受到了VG的控制。比如，在该例中，VG=0.5V时，器件两端的直流电压和通过负载的直流电流分别是VD=5V和ID=10mA。不管VG是多大，通过负载的电流和器件两端的电压总是在负载线上变化。6.1.2 放大和开关作用电压控制的放大作用： VG上叠加一交流分量，如VG围绕直流分量变化0.25V, VD变化2 V, 交流电压放大倍数为2/0.25=8 ;开关作用： VG适当变化，电流在iD=0点和iD=E/R之间切换，类似于一个开关。6.2 结型场效应晶体管（ JFET ）JFET的基本结构 图6-3-0 由两种工艺制成的 沟道JFET（a）外延—扩散工艺 （b）双扩散工艺源极－Source－S漏极－Drain－D栅极－Gate－G：上栅、下栅 如图6.3所示的器件中，电子的流向从左向右。电子离开的一端为源极,电子流向的一端为漏极P+区为栅极。P+nP+nP+P+ 图6-0-1的JFET：（a） ＜ ，（b） = ，（c）理想的漏极特性 6.2.1夹断和饱和-工作原理在小电流情况下，耗尽区的宽度也近似等于平衡态耗尽区的宽度，如图6-4a所示。当VD增大引起电流增大时，漏端电势高于源端电势，且栅-沟结处于反偏状态；反偏压从漏端的VD降低到源端的0。由此可以判断VG=0V时沟道耗尽区的形状是如图6-4b所示的形状，即漏端附近的耗尽区深入到了沟道之中，沟道的有效面积减小。当VD和ID继续增大时，漏端附近的耗尽区扩展到沟道中心线附近，使沟道电阻进一步增大。当VD增大到一定程度时，耗尽区在沟道中心线上相遇，此时沟道被夹断了，如图6-4c所示。沟道夹断后，电流ID不再随VD的增大而显著增大，而是基本保持在夹断时的水平，即电流饱和。图6-4 JFET的沟道耗尽区和电流随漏偏压VD变化情况(VG=0V)(a)线性变化区； (b)接近于夹断的情形： (c)夹断后的情形6.2.2 栅的控制作用若在栅极上施加负偏压，即VG?0，那么即使漏极偏压很小，沟道也很容易被夹断。负栅偏压使耗尽区的宽度增大，从而使沟道的宽度减小；在较小的漏极偏压下，沟道漏端将首先被夹断。栅压越负，将沟道夹断所需的漏极偏压就越小；同时，饱和电流也比VG=0V时的饱和电流减小了，如图6.5b所示。显然，在不同的栅偏压下，可得到一簇，I-V曲线。 夹断后的漏电流如即饱和电流的大小取决于栅偏压VG的大小。若在栅极上施加交流信号，则漏电流的变化就反映了JFET对交流信号的放大作用。由于栅偏压总是作用在反偏的栅-沟结上，所以JFET的输入阻抗很高。6.2.3 JFET的I-V特性 理想的JFET基本假设及其意义 单边突变结：SCR在轻掺杂一侧沟道内杂质分布均匀：无内建电场，载流子分布均匀，无扩散运动。沟道内载流子迁移率为常数；忽略有源区以外源、漏区以及接触上的电压降，于是沟道长度为L；缓变沟道近似，即空间电荷区内电场沿y方向，而中性沟道内的电场只有X方向上的分量：二维问题化为一维问题。长沟道近似：L?2（2a），于是W沿着L改变很小，看作是矩形沟道。 6.2.3 JFET的I-V特性图6.2.3-1 有源沟道内空间电荷区逐渐改变.6.2.3 JFET的I-V特性一、夹断前的电流－电压特性JFET中x处耗尽层宽度为 (6-2) 漏极电流(6-6) 为电流流过的截面积。(6-7) (6-8) JFET的I-V特性(6-9) 式中 令 VD 上式表明，漏极电流对漏极电压的确是线性依赖关系。也反映出栅极电压对I-V曲线斜率的明显影响。(6-10) N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线， 6.2.3 JFET的I-V特性 图6.2.3-2 的硅N沟道JFET 电流?电压特性： （a）的理论曲线，（b）实验结果 6.2.3 JFET