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場效應管与BJT管工作原理在线视频详解与基本知识概述-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-10 

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場效應管与BJT管对应

場效應管

场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称場效應管。主要有两种类型(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体場效應管(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。

場效應管(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。


場效應管工作原理


場效應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。


在過渡層由于沒有電子、空穴的自由移動,在理想狀態下幾乎具有絕緣特性,通常電流也難流動。但是此時漏極-源極間的電場,實際上是兩個過渡層接觸漏極與門極下部附近,由于漂移電場拉去的高速電子通過過渡層。因漂移電場的強度幾乎不變産生ID的飽和現象。其次,VGS向負的方向變化,讓VGS=VGS(off),此時過渡層大致成爲覆蓋全區域的狀態。而且VDS的電場大部分加到過渡層上,將電子拉向漂移方向的電場,只有靠近源極的很短部分,這更使電流不能流通。


MOS場效應管电源开关电路

MOS場效應管也被称为金属氧化物半导体場效應管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗尽型和增强型两种。增强型MOS場效應管可分为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沟道的場效應管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的場效應管其源极和漏极则接在P型半导体上。場效應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場效應管的原因。

在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負極)時,二極管導通,其PN結有電流通過。


這是因爲在P型半導體端爲正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而湧向加有正電壓的P型半導體端,而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動,從而形成導通電流。同理,當二極管加上反向電壓(P端接負極,N端接正極)時,這時在P型半導體端爲負電壓,正電子被聚集在P型半導體端,負電子則聚集在N型半導體端,電子不移動,其PN結沒有電流通過,二極管截止。


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,此时場效應管处与截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS場效應管栅极上时,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場效應管(增强型MOS場效應管)

电路将一个增强型P沟道MOS場效應管和一个增强型N沟道MOS場效應管组合在一起使用。当输入端为低电平时,P沟道MOS場效應管导通,输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时,N沟道MOS場效應管导通,输出端与电源地接通。在该电路中,P沟道MOS場效應管和N沟道MOS場效應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場效應管既被关断。不同場效應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。


場效應管结构与符号

MOS管,在一塊摻雜濃度較低的P型半導體矽襯底上,用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區,並用金屬鋁引出兩個電極,分別作爲漏極D和源極S。然後在漏極和源極之間的P型半導體表面複蓋一層很薄的二氧化矽(Si02)絕緣層膜,在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極,作爲柵極G。這就構成了一個N溝道(NPN型)增強型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。下圖所示分別是它的結構圖和代表符號。

場效應管与BJT管对应


同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導體矽襯底上,用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區,及上述相同的柵極制作過程,就制成爲一個P溝道(PNP型)增強型MOS管。如上圖所示分別是P溝道MOS管道結構圖和代表符號。

N溝道MOS管的符號,圖中D是漏極,S是源極,G是柵極,中間的箭頭表示襯底,如果箭頭向裏表示是N溝道的MOS管,箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

場效應管与BJT管对应


在實際MOS管生産的過程中襯底在出廠前就和源極連接,所以在符號的規則中;表示襯底的箭頭也必須和源極相連接,以區別漏極和源極。上圖是P溝道MOS管的符號。


大功率MOS管應用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同,N溝道的類似NPN晶體三極管,漏極D接正極,源極S接負極,柵極G正電壓時導電溝道建立,N溝道MOS管開始工作,如下圖所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管,漏極D接負極,源極S接正極,柵極G負電壓時,導電溝道建立,P溝道MOS管開始工作,如下圖所示。

場效應管与BJT管对应


場效應管的参数和型号

(1) 場效應管的参数

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,場效應管不能导通

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

耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流

④ 输入电阻RGS

場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值,對于結型場效應三極管,反偏時RGS約大于107Ω,對于絕緣柵場型效應三極管,RGS約是109~1015Ω

⑤ 低频跨导gm

低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用,這一點與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉移特性曲線上求取,單位是mS(毫西門子)

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)型號

場效應管与BJT管对应

場效應管与BJT管对应

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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管的分類

一類是雙極性晶體管,BJT;BJT是電流控制器件;

一類是場效應晶體管,FET;FET是電壓控制器件。


BJT管基本原理

NPN型雙極性晶體管可以視爲共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態下,基極-發射極結(稱這個PN結爲“發射結”)處于正向偏置狀態,而基極-集電極(稱這個PN結爲“集電結”)則處于反向偏置狀態。在沒有外加電壓時,發射結N區的電子(這一區域的多數載流子)濃度大于P區的電子濃度,部分電子將擴散到P區。同理,P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣,發射結上將形成一個空間電荷區(也成爲耗盡層),産生一個內在的電場,其方向由N區指向P區,這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發生,從而達成動態平衡。這時,如果把一個正向電壓施加在發射結上,上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態平衡將被打破,這樣會使熱激發電子注入基極區域。在NPN型晶體管裏,基區爲P型摻雜,這裏空穴爲多數摻雜物質,因此在這區域電子被稱爲“少數載流子”。


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管的結構詳解

一個BJT管由三個不同的摻雜半導體區域組成,它們分別是發射極區域、基極區域和集電極區域。這些區域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體,而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區域都有一個引腳端接出,通常用字母E、B和C來表示發射極(Emitter)、基極(Base)和集電極(Collector)。


基極的物理位置在發射極和集電極之間,它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區域,由于集電結反向偏置,電子很難從這裏被注入到基極區域,這樣就造成共基極電流增益約等于1,而共射極電流增益取得較大的數值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出,集電結的面積大于發射結。此外,發射極具有相當高的摻雜濃度。

場效應管与BJT管对应


NPN型

NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種,由兩層N型摻雜區域和介于二者之間的一層P型摻雜半導體(基極)組成。輸入到基極的微小電流將被放大,産生較大的集電極-發射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發射極電壓,並且集電極電壓高于基極電壓,則晶體管處于正向放大狀態。在這一狀態中,晶體管集電極和發射極之間存在電流。被放大的電流,是發射極注入到基極區域的電子(在基極區域爲少數載流子),在電場的推動下漂移到集電極的結果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高,因此現在使用的大多數雙極性晶體管爲NPN型。


PNP型

雙極性晶體管的另一種類型爲PNP型,由兩層P型摻雜區域和介于二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經基極的微小電流可以在發射極端得到放大。也就是說,當PNP型晶體管的基極電壓低于發射極時,集電極電壓低于基極,晶體管處于正向放大區。

在雙極性晶體管電學符號中,基極和發射極之間的箭頭指向電流的方向,這裏的電流爲電子流動的反方向。與NPN型相反,PNP型晶體管的箭頭從發射極指向基極。

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。

場效應管与BJT管对应


異質結是PN結的一種,這種結的兩端由不同的半導體材料制成。在這種雙極性晶體管中,發射結通常采用異質結結構,即發射極區域采用寬禁帶材料,基極區域采用窄禁帶材料。常見的異質結用砷化镓(GaAs)制造基極區域,用鋁-镓-砷固溶體(AlxGa1-xAs)制造發射極區域。采用這樣的異質結,雙極性晶體管的注入效率可以得到提升,電流增益也可以提高幾個數量級。


采用異質結的雙極性晶體管基極區域的摻雜濃度可以大幅提升,這樣就可以降低基極電極的電阻,並有利于降低基極區域的寬度。在傳統的雙極性晶體管,即同質結晶體管中,發射極到基極的載流子注入效率主要是由發射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下,爲了得到較高的注入效率,必須對基極區域進行輕摻雜,這樣就不可避免地使增大了基極電阻。


如左邊的示意圖中,代表空穴從基極區域到達發射極區域跨越的勢差;而則代表電子從發射極區域到達基極區域跨越的勢差。由于發射結具有異質結的結構,可以使,從而提高了發射極的注入效率。在基極區域裏,半導體材料的組分分布不均,造成緩變的基極區域禁帶寬度,其梯度爲以表示。這一緩變禁帶寬度,可以爲少數載流子提供一個內在電場,使它們加速通過基極區域。這個漂移運動將與擴散運動産生協同作用,減少電子通過基極區域的渡越時間,從而改善雙極性晶體管的高頻性能。


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。

場效應管与BJT管对应



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