场效应管的原理.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流场效应管的原理.精品文档.1.4 场效应三极管 前面介绍的半导体三极管称为双极型三极管(英文缩写为BJT)，这是因为在这一类三极管中，参与导电的有两种极性的载流子：既有多数载流子又有少数载流子。现在将要讨论另一种类型的三极管。它们依靠一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，所以称为单极型三极管。又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以也称为场效应管。 场效应管分为两大类：一类称为结型场效应管，另一类称为绝缘栅场效应管。 1.4.1 结型场效应管 本节主要介绍结型场效应管的结构、工作原理和特性曲线。 一、结构 图1.4.1中示出了N沟道结

2、型场效应管的结构示意图以及它在电路中的符号。 图1.4.1 N沟道结型场效应管的结构和符合 (a)结构示意图 (b)符号 在一块N型硅棒的两侧，利用合金法、扩散法或其他工艺做成掺杂程度比较高的P型区(用符号表示)，则在型区和N型区的交界处将形成一个PN结，或称耗尽层。将两侧的型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极(G)，再在N型硅棒的一端引出源极(S)，另一端引出漏极(D)，见图1.4.1(a)。如果在漏极和源极之间加上一个正向电压，即漏极接电源正端，源极接电源负端，则因为N型半导体中存在多数载流子电子，因而可以导电。这外场效应管的导电沟道是N型的，所以称为N沟道结型场效应管，其电路符号见图1

3、.4.1(b)。注意电路符号中，栅极上的箭头指向内部，即由区指向N区。 另种结型场效应管的导电沟道是P型的，即在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(用符号表示)，并连在一起引出栅极，然后从P型硅棒的两端分别引出源极和漏极，见图1.4.2(a)。这就是P沟道结型场效应管，其电路符号见图1.4.2(b)所示。此处栅极上的箭头指向外侧，即由P区指向区。 图1.4.2 P沟道结型场效应管的结构和符号 (a)结构示意图 (b)符号 上述两种场效应管的工作原理是类似的，下面以N沟道结型场效应管为例，介绍它们的工作原理和特性曲线。二、工作原理 从结型场效应管的结构已经看出，在栅极和导电沟道之间存在一个PN结。

4、假设在栅极和源极之间加上反向电压，使PN结反向偏置，则可以通过改变的大小来改变耗尽层的宽度。例如，当反向电压的值变大时，耗尽层将变宽，于是导电沟道的宽度相应地减小，使沟道本身的电阻值增大，于是，漏极电流将减小。所以，通过改变的大小，即可控制漏极电流的值。 由于导电沟道的半导体材料(例如N区)掺杂程度相对比较低，而栅极一边(例如区)的掺杂程度很高，因此当反向偏置电压值升高时，耗尽层总的宽度将随之增大。但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等，而是N区一侧正离子的数目与区一侧负离子的数目相等。因此，掺杂程度低的N型导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的区栅极一侧耗尽层的宽度大得多。可以认为，当反向偏置电压增大时

5、，耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。 下面讨论当结型场效应管的栅极和源极之间的电压变化时，对耗尽层和导电沟道的宽度以及漏极电流的大小将产生什么影响。 1. 首先假设=0，即将漏极和源极短接，同时在栅源之间加上负电源，然后改变的大小，观察耗尽层的变化情况。 由图1.4.3可见，当栅源之间的反向偏置电压=0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽。当由零逐渐增大时，耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应地变窄。 图1.4.3 当= 0时，对耗尽层和导电沟道的影响 (a)= 0 (b)0,然后仍在栅极和源极之间加上负电源，现在再来观察变化时对耗尽层和漏极电流的影响。 由图1.4.4(a)可见，若=0，则耗尽层较窄，而导

6、电沟道较宽，因此沟道的电阻较小，当加上正电压时，漏源之间将有一个较大的电流。 但要注意点，当0时，沿着导电沟道各处耗尽层的宽度并不相等。在靠近漏极处耗尽层最宽，而靠近源极处最窄，呈现出楔形。这是由于当流过沟道时，沿着沟道的方向产生一个电压降落，因此沟道上各点的电位不同，因而各点与栅极之间的电位差也不相等。沟道上靠近漏极的地方电位最高，该处，则PN结上的反向偏置电压也最大，因而耗尽层最宽。而沟道上靠近源极处电位最低，PN结上的反向偏置电压也最小，所以耗尽层宽度也最窄，如图1.4.4(a)所示。 如果在栅极和漏极之间外加一个负电源，使 0时，对耗尽层和的影响 (d)夹断 图1.4.5场效应管特性曲

7、线测试电路 愈负，则愈小。当等于夹断电压时，。 从转移特性上还可以得到场效应管的两个重要参数。转移特性与横坐标轴交点处的电压，表示=0时的 ，所以即是夹断电压。此外，转移特性与纵坐标轴交点处的电流，表水=0时的漏极电流，称为饱和漏极电流，用符号表示。 图1.4.6(a)中结型场效应管的转移特性曲线可近似用以下公式表示： 图1.4.6 N沟道结型场效应管的特性曲线 (a)转移特性 (b)漏极特性 2漏极特性 场效应管的漏极特性表示当栅源之间的电压不变时，漏极电流与漏源之间的电压的关系，即 （1.4.3） N沟道结型场效应管的漏极特性曲线如图1.4.6(b)所示。可以看出，它们与双极型三极管的共射

8、输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别，即场效应管的漏极特性以栅源之间的电压作为参变量，而双极型三极管输出特性曲线的参变量是基极电流。 图1.4.6(b)中场效应管的漏极待性可以划分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。 漏极特性中最左侧的部分，表示当比较小时， 随着的增加而直线上升，二者之间基本上是线性关系，此时场效应管似乎成为一个线件电阻。不过，当的值不同时，直线的斜率不同，即相当于电阻的阻值不同。值愈负，则相应的电阻值愈大。因此，在该区，场效应管的特性呈现为另一个由控制的可变电阻，所以称为可变电阻区。在漏极特性的中间部分，即图1.4.6(b)中左右两条虚线之间的区域，基本上不随而变

9、化，的值主要决定于。各条漏极特性曲线近似为水平的直线，故称为恒流区，也称为饱和区。当组成场效应管放大电路时，为了防止出现非线性失真，应将工作点设置在此区域内。 漏极特性中最右侧的部分，表示当升高到一定程度时，反内偏置的PN结被击穿，将突然增大。这个区域称为击穿区。如果电流过大，将使管子被损坏。为了保证器件的安全，场效应管的工作点不应进入到击穿区内。 场效应管的上述两组特性曲线之间互相是有联系的，可以根据漏极特件，利用作图的方法得到相应的转移特性。因为转移特性表示不变时，与之间的关系，所以只要在漏极特性上，对应于等于某固定电压处作条垂直的直线，见图1.4.7，该直线与为不同值的各条漏极特性有一系

10、列的交点，根据这些交点，可以得到不同时的值，由此即可画出相应的转移特性曲线。作图的过程示于图1.4.7中。 图1.4.7 在漏极特性上用作图法求转移特性 在结型场效应管中，由于栅极与导电沟道之间的PN结被反向偏置，所以栅极基本上不取电流，其输入电阻很高，可达以上。但是，在某些情况下希望得到更高的输入电阻，此时可以考虑采用绝缘栅场效应管。 1.4.2 绝缘栅型场效应管 绝缘栅场效应管由金属、氧化物和半导体制成，所以称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层(例如)隔离，因此其输入电阻更高，可达以上。从导电沟道来分，绝缘栅场效应管也有N沟道和P沟道两种类

11、型。无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型和耗尽型两种。本节将以N沟道增强型MOS场效应管为主，介绍它们的结构、工作原理和特性曲线。 一 N沟道增强型MOS场效应管 1. 结构 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图见图1.4.8。用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其表面上覆盖一层二氧化硅()的绝缘层，再在二氧化硅层上刻出两个窗口，通过扩散形成两个高掺杂的N区(用N+表示)，分别引出源极S和漏极D，然后在源极和漏极之间的二氧化硅上面引出栅极G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬底也引出一根引线，用B表示，通常情况下将它与源极在管子内部连接在一起。由图可见，这种场效应管由金属、氧化物和半导体组

12、成。 图1.4.8 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图 2工作原理 绝缘栅场效应管的工作原理与结型的有所不同。结型场效应管是利用来控制PN结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的宽度，以控制漏极电流。而绝缘栅场效应管则是利用来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。若=0时漏源之间已经存在导电沟道，称为耗尽型场效应管。如果当=0时不存在导电沟道，则称之为增强型场效应管。对于N沟道增强型MOS场效应管来说，当=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏极之间相当于两个背靠背的PN结，如图1.4.9所示。所以，无论漏源之间加上何种极

13、性的电压，总是不能导电。 图1.4.9 N沟道增强型MOS管漏源之间两个背靠背的PN结 二、N沟道耗尽型MOS场效应管 根据前面的分析可知，对于N沟道增强型MOS场效应管，只有当时，漏极和源极之间才存在导电沟道。耗尽型的MOS场效应管则不然，由于在制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入了大量的正离子，因此，即使=0，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够多的负电荷，形成“反型层”，从而产生N型的导电沟道，如图1.4.13所示。所以当0时，将有个较大的漏被电流。 如果使这种场效应管的0的情况下工作。此时，导电沟道比=0时更宽，因而更大。由图1.4.14(a)和(b)所示的N沟道耗尽型

14、MOS场效应管的转移特性和漏极特性可见，当0时，增大；当时形成导电沟道 假设场效应管的=0，同时0，如图1.4.10所示。此时栅极的金属极板(铝)与P型衬底之间构成一个平板电容，中间为二氧化硅绝缘层作为介质。由于栅极的电压为正，它所产生的电场对P型衬底中的空穴(多子)起排斥作用，也就是说，把P型半导体中的电子(少子)吸引到衬底靠近二氧化硅的侧，与空穴复合，于是产生了由负离子组成的耗尽层。若增大，则耗尽层变宽。当增大到一定值时，由于吸引了足够多的电子，便在耗尽层与二氧化硅之间形成可移动的表面电荷层，如图1.4.10所示(图中耗尽层未画出)。因为是在P型半导体中感应产生出N型电荷层，所以称之为反型

15、层。于是，在漏极和源极之间有了N型的导电沟道。由于P型衬底中电子的浓度很低，因此这种表面负电荷主要从源极和漏极的区得到。开始形成反型层所需的称为开启电压，用符号表示。以后，随着的升高，感应电荷增多，导电沟道变宽。但因=0，故总是为零。 假设使为某一个大于的固定值，并在漏极和源极之间加上正电压，且，即。此时由于漏源之间存在导电沟道，所以将有一个电流。但是，因为流过导电沟道时产生电压降落，使沟通上各点电位不同。沟道上靠近漏极处电位最高，故该处栅漏之间的电位差最小，因而感应电荷产生的导电沟道最窄；而沟道上靠近源极处电位最低，栅源之间的电位差电位差最大，所以导电沟道最宽，结果，导电沟道呈现一个楔形，如

16、图1.4.11(a)所示。 图1.4.11 对导电沟道的影响 当增大时，将随之而增大。但与此同时，导电沟道宽度的不均匀性也愈益加剧。当增大到，即时，靠近漏极处的沟道达到临界开启的程度，出现了预夹断的情况，如图1.4.11(b)所示。如果继续增大，则沟道的夹断区逐渐延长，见图1.4.11(c)。在此过程中，由于夹断区的沟道电阻很大，所以当逐渐增大时，增加的几乎都降落在夹断区上，而导电沟道两端的电压几乎没有增大，即基本保持不变，因而漏极电流也基本不变。 3特性曲线 N沟道增强型MOS场效应管的转移特性和漏极特性分别示于图1.4.12(a)和(b)。由图1.4.12(a)的转移特性可见，当时，由于尚

17、未形成导电沟道，因此基本为零。当时，形成了导电沟道，而且，随着的增大，导电沟道变宽，沟道电阻减小，于是也随之增大。 图1.4.12 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线 (a)转移特性 (b)漏极特性 图1.4.12(a)所示的转移特性可用以下近似公式表示： (1.4.4) 式中为当时的的值，见图1.4.12（a）。 N沟道增强型MOS场效应管的漏极特性同样可以分为三个区域：不变电阻区、恒流区(或饱和区)以及击穿区，如图1.4.12(b)所示。表1-2 各种场效应管的符号和特性曲线 二、交流参数 1. 低频跨导 用以描述栅源之间的电压对漏极电流的控制作用。它的定义是当一定时，与的变化量之比，即

18、 （1.4.5） 若的单位是毫安(mA)，的单位是伏(V)，则的单位是毫西门子(mS)。 2极间电容 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。 三、 极限参数 1. 漏极最大允许耗散功率 场效应管的漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即。这部分功率将转化为热能，使管子的温度升高。漏极最大允许耗散功率决定于场效应管允许的温升。 2漏源击穿电压 这是在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流急剧上升产生雪崩击穿时的。工作时外加在漏源之间的电压不得越过此值。 3栅源击穿电压 结型场效应管正常工作时，栅源之间的PN结处于反向偏置状态，若过高，PN结将被击穿。MOS场效应管的栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层，当过高时，可能将二氧化硅绝缘层击穿，使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于一般的PN结击穿，而与电容器击穿的情况类似，属于破坏性击穿。栅源间发生击穿，MOS管即被破坏。