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    絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) 的基本知識(shí)
  • 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) 的基本知識(shí)
  •   發(fā)布日期: 2018-12-17  瀏覽次數(shù): 1,699

    絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) 的基本知識(shí)

    1.增強(qiáng)型NMOS管

    s:Source 源極,d:Drain 漏極,g:Gate 柵極,B:Base 襯底,在P型襯底擴(kuò)散上2個(gè)N 區(qū),P型表面加SiO2絕緣層,在N 區(qū)加鋁線引出電極。

    2.增強(qiáng)型PMOS管

    在N型襯底上擴(kuò)散上2個(gè)P 區(qū),P型表面加SiO2絕緣層,在二個(gè)P 區(qū)加鋁線引出電極。PMOS與NMOS管的工作原理完全相同,只是電流和電壓方向不同。

    3.增強(qiáng)型NMOS管的工作原理

    正常工作時(shí)外加電源電壓的配置:

    (1)VGS=0, VDS=0:漏源間是兩個(gè)背靠背串聯(lián)的PN結(jié),所以d-s間不可能有電流流過(guò),即iD≈0。

    (2)當(dāng)VGS>0,VDS=0時(shí):d-s之間便開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道。 開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的最小電壓稱為開(kāi)啟電壓VGS(th)(習(xí)慣上常表示為VT)。

    溝道形成過(guò)程作如下解釋:此時(shí),在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)垂直電場(chǎng)(方向?yàn)橛蓶艠O指向襯底),它使漏-源之間的P型硅表面感應(yīng)出電子層(反型層)使兩個(gè)N 區(qū)溝通,形成N型導(dǎo)電溝道。如果,此時(shí)再加上VDS電壓,將會(huì)產(chǎn)生漏極電流iD。當(dāng)VGS=0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道,而當(dāng)VGS 增強(qiáng)到>VT時(shí)才形成溝道,所以稱為增強(qiáng)型MOS管。并且VGS越大,感應(yīng)電子層越厚,導(dǎo)電溝道越厚,等效溝道電阻越小,iD越大。

    (3)當(dāng)VGS>VT,VDS>0后, 漏-源電壓VDS產(chǎn)生橫向電場(chǎng):由于溝道電阻的存在,iD沿溝道方向所產(chǎn)生的電壓降使溝道上的電場(chǎng)產(chǎn)生不均勻分布。近s端電壓差較高,為VGS;近d端電壓差較低,為VGD=VGS-VDS,所以溝道的形狀呈楔形分布。

    1)當(dāng)VDS較小時(shí):VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響不大,溝道主要受VGS控制, 所以VGS為定值時(shí),溝道電阻保持不變,iD隨VDS 增加而線性增加。此時(shí),柵漏間的電壓大于開(kāi)啟電壓,溝道尚未夾斷,。

    2)當(dāng)VDS增加到VGS-VDS=VT時(shí)(即VDS=VGS-VT):柵漏電壓為開(kāi)啟電壓時(shí),漏極端的感應(yīng)層消失,溝道被夾斷,稱為“預(yù)夾斷”。

    3)當(dāng)VDS再增加時(shí)(即VDS>VGS-VT或VGD=VGS-VDS<VT):iD將不再增加而基本保持不變。因?yàn)閂DS再增加時(shí),近漏端上的預(yù)夾斷點(diǎn)向s極延伸,使VDS的增加部分降落在預(yù)夾斷區(qū),以維持iD的大小,

    伏安特性與電流方程:

    (1) 增強(qiáng)型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性:在一定VDS下,柵-源電壓VGS與漏極電流iD之間的關(guān)系:

    IDO是VGS=2VT時(shí)的漏極電流。

    (2) 輸出特性(漏極特性)

    表示漏極電流iD漏-源電壓VDS之間的關(guān)系:。

    與三極管的特性相似,也可分為3個(gè)區(qū):可變電阻區(qū),放大區(qū)(恒流區(qū)、飽和區(qū)), 截止區(qū)(夾斷區(qū))??勺冸娮鑵^(qū)管子導(dǎo)通,但溝道尚未預(yù)夾斷,即滿足的條件為:。在可變電阻區(qū)iD僅受VGS的控制,而且隨VDS增大而線性增大??赡M為受VGS控制的壓控電阻RDS,。放大區(qū)(溝道被預(yù)夾斷后),又稱恒流區(qū)、飽和區(qū)。條件是:。特征是iD主要受VGS控制,與VDS幾乎無(wú)關(guān),表現(xiàn)為較好的恒流特性。 夾斷區(qū)又稱截止區(qū),管子沒(méi)有導(dǎo)電溝道( VGS<V)時(shí)的狀態(tài),

    4.耗盡型NMOS管

    在制造過(guò)程中,人為地在柵極下方的SiO2絕緣層中埋入了大量的K (鉀)或Na (鈉)等正離子 ;VGS=0,靠正離子作用,使P型襯底表面感應(yīng)出N型反型層,將兩個(gè)N 區(qū)連通,形成原始的N型導(dǎo)電溝道;VDS一定,外加正柵壓(VGS>0),導(dǎo)電溝道變厚,溝道等效電阻下降,漏極電流iD增大; 外加負(fù)柵壓VGS<0)時(shí),溝道變薄,溝道電阻增大,iD減小;VGS負(fù)到某一定值VGS(off)(常以VP表示,稱為夾斷電壓),導(dǎo)電溝道消失,整個(gè)溝道被夾斷,iD≈0,管子截止 。

    耗盡型NMOS的伏安特性:

    點(diǎn)擊看大圖

    放大區(qū)的電流方程:,IDSS為飽和漏極電流,是VGS=0時(shí)耗盡型MOS管的漏極電流。

    二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)

    結(jié)構(gòu)與符號(hào):

    在N區(qū)兩側(cè)擴(kuò)散兩個(gè)P+區(qū),形成兩個(gè)PN結(jié)。兩個(gè)P+區(qū)相連,引出柵極g。N體的上下兩端分別引出漏極d和源極s。

    導(dǎo)電原理:點(diǎn)擊看大圖

    (1)VGS=0時(shí),N型棒體導(dǎo)電溝道最寬(N型區(qū))。有了VDS后,溝道中的電流最大。

    (2)VGS<0時(shí),耗盡層加寬(主要向溝道一測(cè)加寬),并向溝道中間延伸,溝道變窄。

    當(dāng)VGS<VP(稱為夾斷電壓)時(shí),二個(gè)耗盡層增大到相遇,溝道消失,這時(shí)稱溝道夾斷,溝道中的載流子被耗盡。若有VDS電壓時(shí),溝道電流也為零。所以屬于耗盡型FET,原理和特性與耗盡型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作時(shí),兩個(gè)PN結(jié)必須反偏,如對(duì)N溝道JFET,要求VGS≤0。

    加上負(fù)VGS電壓和VDS電壓以后,VGD的負(fù)壓比VGS大,所以,二個(gè)反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)變得上寬下窄,使溝道形成楔形。

    JFET通過(guò)VGS改變半導(dǎo)體內(nèi)耗盡層厚度(溝道的截面積)控制iD,稱為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件;MOSFET主要通過(guò)改變襯底表層溝道的厚度來(lái)控制iD,稱為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。

    JFET的伏安特性(以N溝道JFET為例):伏安特性曲線和電流方程與耗盡型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。

    三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

    1.直流參數(shù)

    開(kāi)啟電壓VT: 增強(qiáng)型管的參數(shù);夾斷電壓VP:耗盡型管的參數(shù);飽和漏極電流IDSS: 指耗盡型管在VGS=0時(shí)的漏極電流;輸入電阻 RGS(DC):因iG=0,所以輸入電阻很大。JFET大于107Ω,MOS管大于1012Ω。

    2.交流參數(shù)

    低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo))gm,跨導(dǎo)gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力,且與工作點(diǎn)有關(guān),是轉(zhuǎn)移特性曲線上過(guò)Q點(diǎn)切線的斜率。gm的單位是mS;交流輸出電阻rds,rds反映了漏源電壓對(duì)漏極電流的影響程度,在恒流區(qū)內(nèi),是輸出特性曲線上過(guò)Q點(diǎn)的切線斜率的倒數(shù)。其值一般為若幾十kΩ。

    3.極限參數(shù)

    最大漏-源電壓V(BR)DS :漏極附近發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的VDS;最大柵-源電壓V(BR)GS : 柵極與源極間PN結(jié)的反向擊穿電壓;最大耗散功率PDM:同三極管的PCM相似,當(dāng)超過(guò)PDM時(shí),管子可能燒壞。


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