場(chǎng)效應管與BJT管工作原理在線(xiàn)視頻詳解與基本知識概述-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-10
場(chǎng)效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應管。主要有兩種類(lèi)型（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場(chǎng)效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS-FET）。由多數載流子參與導電，也稱(chēng)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(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優(yōu)點(diǎn)，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場(chǎng)效應管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應來(lái)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(chēng)單極型晶體管。
場(chǎng)效應管工作原理用一句話(huà)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結反偏的變化，產(chǎn)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(guò)渡層的擴展因為不很大，根據漏極-源極間所加VDS的電場(chǎng)，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(dòng)。從門(mén)極向漏極擴展的過(guò)度層將溝道的一部分構成堵塞型，ID飽和。將這種狀態(tài)稱(chēng)為夾斷。這意味著(zhù)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(méi)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(mén)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)的強度幾乎不變產(chǎn)生ID的飽和現象。其次，VGS向負的方向變化，讓VGS=VGS(off)，此時(shí)過(guò)渡層大致成為覆蓋全區域的狀態(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)效應管也被稱(chēng)為金屬氧化物半導體場(chǎng)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(chǎng)效應管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱(chēng)為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。對于N溝道的場(chǎng)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(chǎng)效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。場(chǎng)效應管的輸出電流是由輸入的電壓（或稱(chēng)電場(chǎng)）控制，可以認為輸入電流極小或沒(méi)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(chēng)之為場(chǎng)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(shí)，二極管導通，其PN結有電流通過(guò)。
這是因為在P型半導體端為正電壓時(shí)，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(dòng)，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(shí)，這時(shí)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(dòng)，其PN結沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。
在柵極沒(méi)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)效應管處與截止狀態(tài)。當有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來(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型半導體，從而形成電流，使源極和漏極之間導通?？梢韵胂駷閮蓚€(gè)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。
電路將一個(gè)增強型P溝道MOS場(chǎng)效應管和一個(gè)增強型N溝道MOS場(chǎng)效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應管和N溝道MOS場(chǎng)效應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(méi)有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因為如此，使得該電路不會(huì )因為兩管同時(shí)導通而造成電源短路。
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(gè)高摻雜濃度的N+區，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型半導體表面復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。這就構成了一個(gè)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。
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(gè)高摻雜濃度的P+區，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。
在實(shí)際MOS管生產(chǎn)的過(guò)程中襯底在出廠(chǎng)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(lèi)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(shí)導電溝道建立，N溝道MOS管開(kāi)始工作,如下圖所示。同樣P道的類(lèi)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(shí)，導電溝道建立，P溝道MOS管開(kāi)始工作,如下圖所示。
(1) 場(chǎng)效應管的參數
① 開(kāi)啟電壓VGS(th) (或VT)
開(kāi)啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對值，場(chǎng)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(shí)，漏極電流為零
③ 飽和漏極電流IDSS
耗盡型場(chǎng)效應三極管，當VGS=0時(shí)所對應的漏極電流
④ 輸入電阻RGS
場(chǎng)效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場(chǎng)效應三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對于絕緣柵場(chǎng)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(diǎn)與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉移特性曲線(xiàn)上求取，單位是mS(毫西門(mén)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
BJT是雙極結型晶體管（Bipolar Junction Transistor—BJT）的縮寫(xiě)，又常稱(chēng)為雙載子晶體管。它是通過(guò)一定的工藝將兩個(gè)PN結結合在一起的器件，有PNP和NPN兩種組合結構。
一類(lèi)是雙極性晶體管，BJT；BJT是電流控制器件；
一類(lèi)是場(chǎng)效應晶體管，FET；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（稱(chēng)這個(gè)PN結為“發(fā)射結”）處于正向偏置狀態(tài)，而基極-集電極（稱(chēng)這個(gè)PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態(tài)。在沒(méi)有外加電壓時(shí)，發(fā)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(fā)射結上將形成一個(gè)空間電荷區（也成為耗盡層），產(chǎn)生一個(gè)內在的電場(chǎng)，其方向由N區指向P區，這個(gè)電場(chǎng)將阻礙上述擴散過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)生，從而達成動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，如果把一個(gè)正向電壓施加在發(fā)射結上，上述載流子擴散運動(dòng)和耗盡層中內在電場(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(zhì)，因此在這區域電子被稱(chēng)為“少數載流子”。
從發(fā)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(fā)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(tài)，大部分電子將通過(guò)漂移運動(dòng)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(fā)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(shí)間短于半導體少數載流子的壽命，同時(shí)，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長(cháng)度（diffusion length，參見(jiàn)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(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)在一起的形式區分開(kāi)來(lái)。
一個(gè)BJT管由三個(gè)不同的摻雜半導體區域組成，它們分別是發(fā)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(gè)半導體區域都有一個(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(zhù)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(gè)典型NPN型雙極性晶體管的截面簡(jiǎn)圖可以看出，集電結的面積大于發(fā)射結。此外，發(fā)射極具有相當高的摻雜濃度。
NPN型
NPN型晶體管是兩種類(lèi)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(chǎn)生較大的集電極-發(fā)射極電流。當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)射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載流子），在電場(chǎng)的推動(dòng)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(lèi)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(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。
在雙極性晶體管電學(xué)符號中，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，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(dòng)等對工作速度要求苛刻的應用。
異質(zhì)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(fā)射結通常采用異質(zhì)結結構，即發(fā)射極區域采用寬禁帶材料，基極區域采用窄禁帶材料。常見(jiàn)的異質(zhì)結用砷化鎵（GaAs）制造基極區域，用鋁-鎵-砷固溶體（AlxGa1-xAs）制造發(fā)射極區域。采用這樣的異質(zhì)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(gè)數量級。
采用異質(zhì)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(zhì)結晶體管中，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，必須對基極區域進(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，代表空穴從基極區域到達發(fā)射極區域跨越的勢差；而則代表電子從發(fā)射極區域到達基極區域跨越的勢差。由于發(fā)射結具有異質(zhì)結的結構，可以使，從而提高了發(fā)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(gè)內在電場(chǎng)，使它們加速通過(guò)基極區域。這個(gè)漂移運動(dòng)將與擴散運動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作用，減少電子通過(guò)基極區域的渡越時(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體可用來(lái)構成異質(zhì)結晶體管，硅-鍺異質(zhì)結晶體管和鋁-砷化鎵異質(zhì)結晶體管更常用。制造異質(zhì)結晶體管的工藝為晶體外延技術(shù)，例如金屬有機物氣相外延（Metalorganic vapour phase epitaxy, MOCVD）和分子束外延。
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