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                            場效應管與BJT管工作原理在線視頻詳解與基本知識概述-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2019-01-10 

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                            場效應管與BJT管對應

                            場效應管

                            場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

                            場效應管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件,并以此命名。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單極型晶體管。


                            場效應管工作原理


                            場效應管工作原理用一句話說,就是“漏極-源極間流經溝道的ID,用以柵極與溝道間的pn結形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說,ID流經通路的寬度,即溝道截面積,它是由pn結反偏的變化,產生耗盡層擴展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區域,表示的過渡層的擴展因為不很大,根據漏極-源極間所加VDS的電場,源極區域的某些電子被漏極拉去,即從漏極向源極有電流ID流動。從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構成堵塞型,ID飽和。將這種狀態稱為夾斷。這意味著過渡層將溝道的一部分阻擋,并不是電流被切斷。


                            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產生ID的飽和現象。其次,VGS向負的方向變化,讓VGS=VGS(off),此時過渡層大致成為覆蓋全區域的狀態。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場效應管電源開關電路

                            MOS場效應管也被稱為金屬氧化物半導體場效應管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗盡型和增強型兩種。增強型MOS場效應管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認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,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。

                            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。


                            這是因為在P型半導體端為正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的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型半導體端為負電壓,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。


                            在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應管處與截止狀態。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體,從而形成電流,使源極和漏極之間導通??梢韵胂駷閮蓚€N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當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。


                            C-MOS場效應管(增強型MOS場效應管)

                            電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管總是在相反的狀態下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應管既被關斷。不同場效應管其關斷電壓略有不同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。


                            場效應管結構與符號

                            MOS管,在一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上,用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區,并用金屬鋁引出兩個電極,分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜,在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極,作為柵極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。

                            場效應管與BJT管對應


                            同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導體硅襯底上,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,就制成為一個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,如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管,箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

                            場效應管與BJT管對應


                            在實際MOS管生產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。

                            場效應管與BJT管對應


                            場效應管的參數和型號

                            (1) 場效應管的參數

                            ① 開啟電壓VGS(th) (或VT)

                            開啟電壓是MOS增強型管的參數,柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通

                            ② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

                            夾斷電壓是耗盡型FET的參數,當VGS=VGS(off) 時,漏極電流為零

                            ③ 飽和漏極電流IDSS

                            耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流

                            ④ 輸入電阻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 低頻跨導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

                            (二)型號

                            場效應管與BJT管對應

                            場效應管與BJT管對應

                            場效應管與BJT管對應


                            BJT

                            BJT是雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor—BJT)的縮寫,又常稱為雙載子晶體管。它是通過一定的工藝將兩個PN結結合在一起的器件,有PNP和NPN兩種組合結構。


                            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為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結為“發射結”)處于正向偏置狀態,而基極-集電極(稱這個PN結為“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(也成為耗盡層),產生一個內在的電場,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型晶體管里,基區為P型摻雜,這里空穴為多數摻雜物質,因此在這區域電子被稱為“少數載流子”。


                            從發射極被注入到基極區域的電子,一方面與這里的多數載流子空穴發生復合,另一方面,由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄,并且集電結處于反向偏置狀態,大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區域,形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發生的復合,晶體管的基極區域必須制造得足夠薄,以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數載流子的壽命,同時,基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度(diffusion length,參見菲克定律)。在現代的雙極性晶體管中,基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是,集電極、發射極雖然都是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相反方向二極管串聯在一起的形式區分開來。


                            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,電子很難從這里被注入到基極區域,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。

                            場效應管與BJT管對應


                            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,產生較大的集電極-發射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發射極電壓,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。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(在基極區域為少數載流子),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,這里的電流為電子流動的反方向。與NPN型相反,PNP型晶體管的箭頭從發射極指向基極。

                            異質結雙極性晶體管(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。研究發現,這種晶體管可以處理頻率高達幾百GHz的超高頻信號,因此它適用于射頻功率放大、激光驅動等對工作速度要求苛刻的應用。

                            場效應管與BJT管對應


                            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鎵(GaAs)制造基極區域,用鋁-鎵-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,并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,為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。在基極區域里,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,其梯度為以表示。這一緩變禁帶寬度,可以為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產生協同作用,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。


                            盡管有許多不同的半導體可用來構成異質結晶體管,硅-鍺異質結晶體管和鋁-砷化鎵異質結晶體管更常用。制造異質結晶體管的工藝為晶體外延技術,例如金屬有機物氣相外延(Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD)和分子束外延。

                            場效應管與BJT管對應



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