《电工基础与测量》第7章-半导体器件-场效应晶体管.pptVIP

2010年6月 长沙理工大学 电气与信息工程学院 夏向阳 第7章 半导体器件 * * * * 广东水利电力职业技术学院电力工程系-供用电技术专业 第7章 半导体器件 半导体器件是构成电子电路的基本元件，其中半导体二极管、晶体管和场效应管是最常用、最基本的半导体器件。 本章先介绍半导体的导电特性和PN结的单向导电性，再讨论二极管、晶体管以及场效应管的工作原理，为后面学习电子电路打下基础。 7.6 场效应晶体管 7.6.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管 在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是金属-氧化物-半导体场效应管（英文名为MOSFET），简称为MOS管。MOS管按导电沟道的载流子极性的不同，分有N沟道和P沟道两类，每类按工作方式不同，又可分成增强型与耗尽型。 1. 基本结构 N沟道增强型MOS管的内部结构和电路符号见图7.24。它是在低掺杂的P型硅片衬底表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在绝缘层上开两个小窗口，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+型区，并引出两个电极，分别称为源极S和漏极D；再在这两个电极之间的绝缘层表面喷上一层金属铝，引出一个电极称为栅极G。衬底底部引出的引线B通常在内部与源极接在一起。 （a）结构示意图 （b）电路符号 图7.24 N沟道增强型MOS管结构示意图和电路符号 图7.25 N沟道增强型MOS管导电原理 2. 工件原理 若在MOS管的栅-源之间加上正向电压UGS，如图7.25（a）所示，由于SiO2绝缘层的作用，栅极电流为零，但在SiO2绝缘层中产生一个由栅极指向衬底的电场。该电场排斥P型衬底靠近栅极一侧的多数载流子空穴，使之剩下了不可移动的负离子区，形成耗尽层；同时又把P型衬底内的少数载流子电子吸引到衬底上表层，在衬底上表层形成了一个将漏、源连接在一起的自由电子薄层，这个电子薄层称为N型导电沟道，简称N沟道。通常将开始形成导电沟道所需要的栅-源电压UGS值称为开启电压，记为UGS(th)。UGS值愈大，N沟道愈厚，漏-源之间的导电能力愈强，故称这种管子为增强型MOS管。 （a）N型导电沟道的形成 （b）导电沟道的预夹断 当N型导电沟道形成后，即UGS UGS(th) 时，如果在漏-源之间加上正向电压UDS，将产生漏极电流ID， 如图7.25（b）所示。由于UDS的存在，使得UGS UGD（UGD = UGS – UDS），沟道靠近源极处最厚，而靠近漏极处最薄，导电沟道形成一个楔形。当UDS 较小时，即UGD UGS(th)时，ID 随UDS 的增大而线性上升，但UGD 却随UDS 的增大而减小，当减小到UGD = UGS(th)时，漏极处的导电沟道处于临界开启状态，出现所谓的“预夹断”现象。 图7.26 N沟道增强型MOS管特性曲线 3. 特性曲线 因为场效应管的栅极电流近似为0，所以对它不讨论输入特性曲线，而是讨论转移特性曲线和输出特性曲线，见图7.26。 （a）转移特性曲线 （b）输出特性曲线 （1）转移特性曲线 场效应管是电压控制型半导体器件，是通过输入端的电压来控制输出端的电流。转移特性曲线反映了漏-源电压uDS 为一定值时，栅-源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，见图7.26（a）。从图中可看到，只有当uGS UGS(th) 时， uGS对iD才有控制作用。 （2）输出特性曲线 输出特性曲线可分三个区，见图7.26（b）。 （a）截止区：当uGS UGS(th)时，导电沟道未形成，漏-源之间没有导电能力、呈高电阻状态， iD = 0。 （b）恒流区：导电沟道已形成，并处于预夹断状态， iD 不再随uDS 变化，只受栅-源电压uGS的控制，曲线是一族几乎与uDS轴平行的直线。 （c）可变电阻区：在这个区域曲线是线性上升的，漏-源之间可看成一个线性电阻；因曲线的斜率随uGS的增大而增大，即漏-源之间的电阻随uGS的增大而减小，所以漏-源之间可视为一个受uGS控制的可变线性电阻。 7.6.2 其它类型的MOS管 MOS管除N沟道增强型外，还有P沟道增强型、N沟道耗尽型和P沟道耗尽型，它们的工作原理基本相同，只是导电沟道形成方式、载流子极性以及工作电源连接方式有所不同。 1. P沟道增强型MOS管 如图7.27(a)所示，与N沟道增强型MOS管相反，P沟道增强型MOS管的衬底是N型半导体，栅极和漏极所连接的是P+型半导体，所以工作电源的极性也与前者相反，而导电沟道是由空穴形成。