場(chǎng)效應(yīng)管與BJT管工作原理在線視頻詳解與基本知識(shí)概述-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-10
場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類型（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。
場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。
場(chǎng)效應(yīng)管工作原理用一句話說(shuō)，就是“漏極-源極間流經(jīng)溝道的ID，用以柵極與溝道間的pn結(jié)形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說(shuō)，ID流經(jīng)通路的寬度，即溝道截面積，它是由pn結(jié)反偏的變化，產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區(qū)域，表示的過(guò)渡層的擴(kuò)展因?yàn)椴缓艽?，根?jù)漏極-源極間所加VDS的電場(chǎng)，源極區(qū)域的某些電子被漏極拉去，即從漏極向源極有電流ID流動(dòng)。從門極向漏極擴(kuò)展的過(guò)度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型，ID飽和。將這種狀態(tài)稱為夾斷。這意味著過(guò)渡層將溝道的一部分阻擋，并不是電流被切斷。
在過(guò)渡層由于沒有電子、空穴的自由移動(dòng)，在理想狀態(tài)下幾乎具有絕緣特性，通常電流也難流動(dòng)。但是此時(shí)漏極-源極間的電場(chǎng)，實(shí)際上是兩個(gè)過(guò)渡層接觸漏極與門極下部附近，由于漂移電場(chǎng)拉去的高速電子通過(guò)過(guò)渡層。因漂移電場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎不變產(chǎn)生ID的飽和現(xiàn)象。其次，VGS向負(fù)的方向變化，讓VGS=VGS(off)，此時(shí)過(guò)渡層大致成為覆蓋全區(qū)域的狀態(tài)。而且VDS的電場(chǎng)大部分加到過(guò)渡層上，將電子拉向漂移方向的電場(chǎng)，只有靠近源極的很短部分，這更使電流不能流通。
MOS場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場(chǎng)效應(yīng)管的輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場(chǎng)）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。
在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。
這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒有電流通過(guò)，二極管截止。
在柵極沒有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來(lái)而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體，從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。
電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過(guò)這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱?，使得該電路不?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。
MOS管，在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強(qiáng)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(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過(guò)程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強(qiáng)型MOS管。如上圖所示分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。
N溝道MOS管的符號(hào)，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。
在實(shí)際MOS管生產(chǎn)的過(guò)程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號(hào)的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。上圖是P溝道MOS管的符號(hào)。
大功率MOS管應(yīng)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(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)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(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作,如下圖所示。
(1) 場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)
① 開啟電壓VGS(th) (或VT)
開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值，場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通
② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)
夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時(shí)，漏極電流為零
③ 飽和漏極電流IDSS
耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管，當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流
④ 輸入電阻RGS
場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對(duì)于絕緣柵場(chǎng)型效應(yīng)三極管，RGS約是109～1015Ω
⑤ 低頻跨導(dǎo)gm
低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)
⑥ 最大漏極功耗PDM
最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)
（二）型號(hào)
BJT是雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT）的縮寫，又常稱為雙載子晶體管。它是通過(guò)一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結(jié)構(gòu)。
一類是雙極性晶體管，BJT；BJT是電流控制器件；
一類是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，F(xiàn)ET；FET是電壓控制器件。
NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽(yáng)極的兩個(gè)二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態(tài)下，基極-發(fā)射極結(jié)（稱這個(gè)PN結(jié)為“發(fā)射結(jié)”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱這個(gè)PN結(jié)為“集電結(jié)”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒有外加電壓時(shí)，發(fā)射結(jié)N區(qū)的電子（這一區(qū)域的多數(shù)載流子）濃度大于P區(qū)的電子濃度，部分電子將擴(kuò)散到P區(qū)。同理，P區(qū)的部分空穴也將擴(kuò)散到N區(qū)。這樣，發(fā)射結(jié)上將形成一個(gè)空間電荷區(qū)（也成為耗盡層），產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)在的電場(chǎng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)將阻礙上述擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結(jié)上，上述載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和耗盡層中內(nèi)在電場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)平衡將被打破，這樣會(huì)使熱激發(fā)電子注入基極區(qū)域。在NPN型晶體管里，基區(qū)為P型摻雜，這里空穴為多數(shù)摻雜物質(zhì)，因此在這區(qū)域電子被稱為“少數(shù)載流子”。
從發(fā)射極被注入到基極區(qū)域的電子，一方面與這里的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合，另一方面，由于基極區(qū)域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，大部分電子將通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)抵達(dá)集電極區(qū)域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達(dá)集電結(jié)之前發(fā)生的復(fù)合，晶體管的基極區(qū)域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴(kuò)散所需的時(shí)間短于半導(dǎo)體少數(shù)載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度（diffusion length，參見菲克定律）。在現(xiàn)代的雙極性晶體管中，基極區(qū)域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發(fā)射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個(gè)相反方向二極管串聯(lián)在一起的形式區(qū)分開來(lái)。
一個(gè)BJT管由三個(gè)不同的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域組成，它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。這些區(qū)域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導(dǎo)體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導(dǎo)體。每一個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域都有一個(gè)引腳端接出，通常用字母E、B和C來(lái)表示發(fā)射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。
基極的物理位置在發(fā)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(qū)域，由于集電結(jié)反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區(qū)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(shù)值。從右邊這個(gè)典型NPN型雙極性晶體管的截面簡(jiǎn)圖可以看出，集電結(jié)的面積大于發(fā)射結(jié)。此外，發(fā)射極具有相當(dāng)高的摻雜濃度。
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(qū)域和介于二者之間的一層P型摻雜半導(dǎo)體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產(chǎn)生較大的集電極-發(fā)射極電流。當(dāng)NPN型晶體管基極電壓高于發(fā)射極電壓，并且集電極電壓高于基極電壓，則晶體管處于正向放大狀態(tài)。在這一狀態(tài)中，晶體管集電極和發(fā)射極之間存在電流。被放大的電流，是發(fā)射極注入到基極區(qū)域的電子（在基極區(qū)域?yàn)樯贁?shù)載流子），在電場(chǎng)的推動(dòng)下漂移到集電極的結(jié)果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現(xiàn)在使用的大多數(shù)雙極性晶體管為NPN型。
PNP型
雙極性晶體管的另一種類型為PNP型，由兩層P型摻雜區(qū)域和介于二者之間的一層N型摻雜半導(dǎo)體組成。流經(jīng)基極的微小電流可以在發(fā)射極端得到放大。也就是說(shuō)，當(dāng)PNP型晶體管的基極電壓低于發(fā)射極時(shí)，集電極電壓低于基極，晶體管處于正向放大區(qū)。
在雙極性晶體管電學(xué)符號(hào)中，基極和發(fā)射極之間的箭頭指向電流的方向，這里的電流為電子流動(dòng)的反方向。與NPN型相反，PNP型晶體管的箭頭從發(fā)射極指向基極。
異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（heterojunction bipolar transistor）是一種改良的雙極性晶體管，它具有高速工作的能力。研究發(fā)現(xiàn)，這種晶體管可以處理頻率高達(dá)幾百GHz的超高頻信號(hào)，因此它適用于射頻功率放大、激光驅(qū)動(dòng)等對(duì)工作速度要求苛刻的應(yīng)用。
異質(zhì)結(jié)是PN結(jié)的一種，這種結(jié)的兩端由不同的半導(dǎo)體材料制成。在這種雙極性晶體管中，發(fā)射結(jié)通常采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，即發(fā)射極區(qū)域采用寬禁帶材料，基極區(qū)域采用窄禁帶材料。常見的異質(zhì)結(jié)用砷化鎵（GaAs）制造基極區(qū)域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）制造發(fā)射極區(qū)域。采用這樣的異質(zhì)結(jié)，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(gè)數(shù)量級(jí)。
采用異質(zhì)結(jié)的雙極性晶體管基極區(qū)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，并有利于降低基極區(qū)域的寬度。在傳統(tǒng)的雙極性晶體管，即同質(zhì)結(jié)晶體管中，發(fā)射極到基極的載流子注入效率主要是由發(fā)射極和基極的摻雜比例決定的。在這種情況下，為了得到較高的注入效率，必須對(duì)基極區(qū)域進(jìn)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(qū)域到達(dá)發(fā)射極區(qū)域跨越的勢(shì)差；而則代表電子從發(fā)射極區(qū)域到達(dá)基極區(qū)域跨越的勢(shì)差。由于發(fā)射結(jié)具有異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以使，從而提高了發(fā)射極的注入效率。在基極區(qū)域里，半導(dǎo)體材料的組分分布不均，造成緩變的基極區(qū)域禁帶寬度，其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度，可以為少數(shù)載流子提供一個(gè)內(nèi)在電場(chǎng)，使它們加速通過(guò)基極區(qū)域。這個(gè)漂移運(yùn)動(dòng)將與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作用，減少電子通過(guò)基極區(qū)域的渡越時(shí)間，從而改善雙極性晶體管的高頻性能。
盡管有許多不同的半導(dǎo)體可用來(lái)構(gòu)成異質(zhì)結(jié)晶體管，硅-鍺異質(zhì)結(jié)晶體管和鋁-砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管更常用。制造異質(zhì)結(jié)晶體管的工藝為晶體外延技術(shù)，例如金屬有機(jī)物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。
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