电子技术 第2版教学课件CH1-5.ppt

半导体器件 场效应晶体管又称为单极晶体管，是一种较新型的半导体器件，其外形与双极型晶体管相似。与作为电流控制元件的双极型晶体管不同，它的导电途径为沟道，其工作原理是通过外加电场对沟道的厚度和形状进行控制，以改变沟道的电阻，从而改变电流的大小，是电压控制器件。又由于场效应管工作时只有一种载流子参与导电，故称为单极晶体管或单极三极管。其特点是输入电阻高（可达）、温度特性好、抗干扰能力强、便于集成，被广泛应用在放大电路和数字电路中。 1.5场效应管 场效应管按结构不同分为结型场效应管JFET和绝缘栅场效应管IGFET两种，后者由于性能优越，制造工艺简单，便于大规模集成，应用尤为广泛。 5.1 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管也称金属—氧化物—半导体场效应管MOSFET，因它由金属、氧化物和半导体三种物质制成，简称MOS场效应管。 绝缘栅场效应管按工作状态可分为增强型和耗尽型两类，每类按导电沟道形成的不同，又有N沟道和P沟道之分，故共有四种类型，它们的图形符号如图1-27所示。以下仅介绍N沟道增强型和耗尽型MOS管的工作原理。 1．N沟道增强型MOS管（1）结构 N沟道增强型MOS管的结构如图1-28所示。以一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极S、漏极D和栅极G。衬底(B)上也接出一根引线（通常情况下将它和源极在内部相连）。在两个N+区之间的半导体区是载流子从源极流向漏极的通道，称之为导电沟道。由于栅极与导电沟道之间被二氧化硅绝缘，故称此类场效应管为绝缘栅型。 （2）工作原理 当栅源电压UGS=0时，由于在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源极之间相当于两个背靠背的PN结。无论漏、源极之间加上何种极性的电压，总是不导通的，即ID=0。 当UDS=0，UGS0时，因SiO2绝缘层的存在，栅极电流为零，但却产生了一个垂直半导体表面、由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴，吸引电子，P型衬底中的电子受到电场力的吸引达到表层，填补空穴形成负离子的耗尽层，如图1-29（a）所示。 当UGS大于某一值UGS(th）时，形成了一层以电子为主的N型层，通常称为反型层，由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道，如图1-29（b）所示。UGS(th)称为开启电压。此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在UGS=0时，ID=0，只有在UGSUGS(th)后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。 （3） 特性曲线 场效应管的特性曲线是指ID、UGS、UDS之间的关系曲线，N沟道增强型MOS管的特性曲线如图1-30所示。 （UGS＞UGS(th)）（1-13） （3） 特性曲线 特性曲线共有两条，其中，转移特性曲线表示在漏源电压UDS一定时，输出电流ID与输入电压UGS的关系，如图1-30（a）所示，转移特性还可用公式表达为 开启电压:UGS(th) 输出特性曲线表示在UGS为常数的条件下，漏极电流ID与漏极和源极间的电压UDS之间的关系曲线，称为场效应管的漏极(输出)特性，如图1-30（b）所示。 N沟道场效应管与P沟道场效应管的工作原理一样,只是两者电源极性及电流方向相反而已 。 2. N沟道耗尽型MOS管 在UGS=0时，在正离子的作用下也存在反型层，即漏极与源极之间存在导电沟道，如图1-31所示。若UDS不为零，当UGS为正时，反型层变宽，沟道电阻减小，ID增大；反之，当UGS为负时，反型层变窄，沟道电阻增大，ID减小；当UGS减小到一定值时，反型层消失，漏、原间导电沟道消失，ID=0，此时的UGS称为夹断电压，用UGS(off)表示。可见，这种MOS管通过外加UGS既可使导电沟道变厚，也可使其变薄，直至耗尽为止，故称为N沟道耗尽型MOS管。 图1-32 为N沟道耗尽型场效应管的特性曲线。从图中可以看出，N沟道耗尽型MOS管的UGS可以在正负值的一定范围内实现对ID的控制，其夹断电压UGS(Off)为负值。 (1-14) 漏极电流与栅源电压间的数学表达式为 半导体器件