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场效应管与BJT管工作原理在线视频详解与基本知识概述-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-01-10 

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场效应管与BJT管对应

场效应管

场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET,简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(107~1015Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。


场效应管工作原理


场效应管工作原理用一句话说,就是“漏极-源极间流经沟道的ID,用以栅极与沟道间的pn结形成的反偏的栅极电压控制ID”。更正确地说,ID流经通路的宽度,即沟道截面积,它是由pn结反偏的变化,产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域,表示的过渡层的扩展因为不很大,根据漏极-源极间所加VDS的电场,源极区域的某些电子被漏极拉去,即从漏极向源极有电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型,ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡,并不是电流被切断。


在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动,在理想状态下几乎具有绝缘特性,通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场,实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近,由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次,VGS向负的方向变化,让VGS=VGS(off),此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上,将电子拉向漂移方向的电场,只有靠近源极的很短部分,这更使电流不能流通。


MOS场效应管电源开关电路

MOS场效应管也被称为金属氧化物半导体场效应管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗尽型和增强型两种。增强型MOS场效应管可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型,PNP型也叫P沟道型。对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。场效应管的输出电流是由输入的电压(或称电场)控制,可以认为输入电流极小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。

在二极管加上正向电压(P端接正极,N端接负极)时,二极管导通,其PN结有电流通过。


这是因为在P型半导体端为正电压时,N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端,而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动,从而形成导通电流。同理,当二极管加上反向电压(P端接负极,N端接正极)时,这时在P型半导体端为负电压,正电子被聚集在P型半导体端,负电子则聚集在N型半导体端,电子不移动,其PN结没有电流通过,二极管截止。


在栅极没有电压时,由前面分析可知,在源极与漏极之间不会有电流流过,此时场效应管处与截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时,由于电场的作用,此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极,但由于氧化膜的阻挡,使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体,从而形成电流,使源极和漏极之间导通。可以想像为两个N型半导体之间为一条沟,栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁,该桥的大小由栅压的大小决定。


C-MOS场效应管(增强型MOS场效应管)

电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时,P沟道MOS场效应管导通,输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时,N沟道MOS场效应管导通,输出端与电源地接通。在该电路中,P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作,其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响,使得栅压在还没有到0V,通常在栅极电压小于1到2V时,MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。


场效应管结构与符号

MOS管,在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜,在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极,作为栅极G。这就构成了一个N沟道(NPN型)增强型MOS管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。下图所示分别是它的结构图和代表符号。

场效应管与BJT管对应


同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区,及上述相同的栅极制作过程,就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管。如上图所示分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。

N沟道MOS管的符号,图中D是漏极,S是源极,G是栅极,中间的箭头表示衬底,如果箭头向里表示是N沟道的MOS管,箭头向外表示是P沟道的MOS管。

场效应管与BJT管对应


在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接,所以在符号的规则中;表示衬底的箭头也必须和源极相连接,以区别漏极和源极。上图是P沟道MOS管的符号。


大功率MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同,N沟道的类似NPN晶体三极管,漏极D接正极,源极S接负极,栅极G正电压时导电沟道建立,N沟道MOS管开始工作,如下图所示。同样P道的类似PNP晶体三极管,漏极D接负极,源极S接正极,栅极G负电压时,导电沟道建立,P沟道MOS管开始工作,如下图所示。

场效应管与BJT管对应


场效应管的参数和型号

(1) 场效应管的参数

① 开启电压VGS(th) (或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数,栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通

② 夹断电压VGS(off) (或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数,当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零

③ 饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流

④ 输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管,反偏时RGS约大于107Ω,对于绝缘栅场型效应三极管,RGS约是109~1015Ω

⑤ 低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取,单位是mS(毫西门子)

⑥ 最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定,与双极型三极管的PCM相当

(二)型号

场效应管与BJT管对应

场效应管与BJT管对应

场效应管与BJT管对应


BJT

BJT是双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的缩写,又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件,有PNP和NPN两种组合结构。


BJT管的分类

一类是双极性晶体管,BJT;BJT是电流控制器件;

一类是场效应晶体管,FET;FET是电压控制器件。


BJT管基本原理

NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下,基极-发射极结(称这个PN结为“发射结”)处于正向偏置状态,而基极-集电极(称这个PN结为“集电结”)则处于反向偏置状态。在没有外加电压时,发射结N区的电子(这一区域的多数载流子)浓度大于P区的电子浓度,部分电子将扩散到P区。同理,P区的部分空穴也将扩散到N区。这样,发射结上将形成一个空间电荷区(也成为耗尽层),产生一个内在的电场,其方向由N区指向P区,这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生,从而达成动态平衡。这时,如果把一个正向电压施加在发射结上,上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破,这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里,基区为P型掺杂,这里空穴为多数掺杂物质,因此在这区域电子被称为“少数载流子”。


从发射极被注入到基极区域的电子,一方面与这里的多数载流子空穴发生复合,另一方面,由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄,并且集电结处于反向偏置状态,大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域,形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合,晶体管的基极区域必须制造得足够薄,以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命,同时,基极的厚度必须远小于电子的扩散长度(diffusion length,参见菲克定律)。在现代的双极性晶体管中,基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是,集电极、发射极虽然都是N型掺杂,但是二者掺杂程度、物理属性并不相同,因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。


BJT管的结构详解

一个BJT管由三个不同的掺杂半导体区域组成,它们分别是发射极区域、基极区域和集电极区域。这些区域在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体,而在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出,通常用字母E、B和C来表示发射极(Emitter)、基极(Base)和集电极(Collector)。


基极的物理位置在发射极和集电极之间,它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域,由于集电结反向偏置,电子很难从这里被注入到基极区域,这样就造成共基极电流增益约等于1,而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性晶体管的截面简图可以看出,集电结的面积大于发射结。此外,发射极具有相当高的掺杂浓度。

场效应管与BJT管对应


NPN型

NPN型晶体管是两种类型双极性晶体管的其中一种,由两层N型掺杂区域和介于二者之间的一层P型掺杂半导体(基极)组成。输入到基极的微小电流将被放大,产生较大的集电极-发射极电流。当NPN型晶体管基极电压高于发射极电压,并且集电极电压高于基极电压,则晶体管处于正向放大状态。在这一状态中,晶体管集电极和发射极之间存在电流。被放大的电流,是发射极注入到基极区域的电子(在基极区域为少数载流子),在电场的推动下漂移到集电极的结果。由于电子迁移率比空穴迁移率更高,因此现在使用的大多数双极性晶体管为NPN型。


PNP型

双极性晶体管的另一种类型为PNP型,由两层P型掺杂区域和介于二者之间的一层N型掺杂半导体组成。流经基极的微小电流可以在发射极端得到放大。也就是说,当PNP型晶体管的基极电压低于发射极时,集电极电压低于基极,晶体管处于正向放大区。

在双极性晶体管电学符号中,基极和发射极之间的箭头指向电流的方向,这里的电流为电子流动的反方向。与NPN型相反,PNP型晶体管的箭头从发射极指向基极。

异质结双极性晶体管(heterojunction bipolar transistor)是一种改良的双极性晶体管,它具有高速工作的能力。研究发现,这种晶体管可以处理频率高达几百GHz的超高频信号,因此它适用于射频功率放大、激光驱动等对工作速度要求苛刻的应用。

场效应管与BJT管对应


异质结是PN结的一种,这种结的两端由不同的半导体材料制成。在这种双极性晶体管中,发射结通常采用异质结结构,即发射极区域采用宽禁带材料,基极区域采用窄禁带材料。常见的异质结用砷化镓(GaAs)制造基极区域,用铝-镓-砷固溶体(AlxGa1-xAs)制造发射极区域。采用这样的异质结,双极性晶体管的注入效率可以得到提升,电流增益也可以提高几个数量级。


采用异质结的双极性晶体管基极区域的掺杂浓度可以大幅提升,这样就可以降低基极电极的电阻,并有利于降低基极区域的宽度。在传统的双极性晶体管,即同质结晶体管中,发射极到基极的载流子注入效率主要是由发射极和基极的掺杂比例决定的。在这种情况下,为了得到较高的注入效率,必须对基极区域进行轻掺杂,这样就不可避免地使增大了基极电阻。


如左边的示意图中,代表空穴从基极区域到达发射极区域跨越的势差;而则代表电子从发射极区域到达基极区域跨越的势差。由于发射结具有异质结的结构,可以使,从而提高了发射极的注入效率。在基极区域里,半导体材料的组分分布不均,造成缓变的基极区域禁带宽度,其梯度为以表示。这一缓变禁带宽度,可以为少数载流子提供一个内在电场,使它们加速通过基极区域。这个漂移运动将与扩散运动产生协同作用,减少电子通过基极区域的渡越时间,从而改善双极性晶体管的高频性能。


尽管有许多不同的半导体可用来构成异质结晶体管,硅-锗异质结晶体管和铝-砷化镓异质结晶体管更常用。制造异质结晶体管的工艺为晶体外延技术,例如金属有机物气相外延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和分子束外延。

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