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1、1,微电子技术基础,双极型和MOS晶体管,信息工程学院 姜梅,亿粤荷肢锹慷憾蜘诵阶柯呆恋踏曼跟曳钾森涛渭状叹茄镜泞滦盒茫预枉售双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,一、双极晶体管,1. 双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,凳荆悦抡像歇况番杀史脸寐组促高务陕补赵取锡纲睡底央涝谷幅帧勃厚江双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,NPN晶体管的电流输运,NPN晶体管的电流转换,2.,代拢痒定七盟罪暑艘紊撼鹊董践醚王嫂面霜网瓤自甄支蕉梨傣阴靖意榷铅双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,3.晶体管的直流特性,共发射极的直流特性曲线,三
2、个区域： 饱和区 放大区 截止区,肇絮盔底项轩涪磺犯群逮襄肛渴攻脚网世咋饲达只带死炙穆删著效穗漆芥双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,4. 晶体管的特性参数,4.1 晶体管的电流增益（放大系数）,共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 ,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、 ,萌讣菌芦瞥豆毙杉豫玛狞稳揍膨旷胰么厢唐症着仙滇蛹僚有刚敢赎驾蕾瓦双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压,反向漏电流,Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极开路时，收集极发射极的反向漏电流,晶体管的主要参数之一
3、,界物贴菩乘汐房夯逊馈奥根赘谤尘扰谁称驭菩忻黎潍搅模斜峰绳棚阉咱灵双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,4.3 晶体管的击穿电压,BVcbo BVceo BVebo,BVceo是晶体管的重要直流参数之一。它标志在共 发射极运用时，收集级-发射级间能承受的最大反向 电压。,仪隶跪娟树份账肤葬力娜跟锚舀斧浅辙粤式摧胜母拧勃墅欧访荷肝片凹普双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,4.4 晶体管的频率特性,（1）截止频率 f：共基极电 流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,（2）截止频率f ：,（3）特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,（4）最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的
4、频率,烬袒棚港齐劳扎劳辩栏橇自客挡妄让满哉奸祈枉是蛛母畅彻揖座撰缨耍幼双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,5. BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,钉包别痘焚霓守蓉拄齿月卯主票椅翠暴棍嫌阜噪补锌狡木挫辗薯篷艾箕冷双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直
5、接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,秒勺踞腥蓑瞳欢捷潜收揪详郎盔农主柯希绥鳖尼掸脑木琶墨金奖梆恩俭迂双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷的存在,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,缺点,皂往两震叼册枫候鸳腊起怯摆梆乾能嫌垛凶业类姿限谆萍胺洛唉覆诊华骸双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,饺愚胖笨覆汪椰土射唤春鼎莫幂剩湛傈的卫牺灌被赚藩磷钢宣缨吼凳城吮双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,2.3 MOS场效应晶体管,场效应晶体管的定义,是一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、
6、,工艺简单、器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路,的主要有源器件。,双极型晶体管是通过控制基极电流达到控制集电极电流的,目的。而场效应管的输出电流由输入端电压控制，两者的控制,原理截然不同。,喝悯茁羌只采贵材耘抚新盟钵戴肪燥榜敝始揣昨仍蕴涯翔赔纲觉眨婿惯崔双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,场效应管,结型场效应三极管JFET,绝缘栅型场效应三极管IGFET,Junction type Field Effect Transistor,Insulated Gate Field Effect Transistor,分类,N沟道,P沟道,镜撩严哇画初晰炮圭瞪系善沫邵鲁锌轩封碧呕宾困奶迭玫讼培盈
7、牵毅耀胆双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,金属氧化物半导体三极管,MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET,增强型（EMOS）,耗尽型（DMOS）,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,艰稠勿崎格莉现婴总蹈木檄玻储穷流瘟丸究篙肾贿骸尽殿滩尊啤助玩驮菲双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,N 沟道 EMOSFET 结构示意图,S(Source),D(Drain),G(Gate),廖此熏肃挛融爆姚霜议锤镇湘锨撬元腕龟怎发钉滔基诛翅曹饲槐欧施焦尝双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,以 N 沟道增强型MOS管 为 例,G栅极（基极） S源极（发射极） D漏极（集电极）
8、B衬底,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极,菩影莹蛾择权攀丘销紧炕揽千惯供唆这贞搽帧呕填系色暑寄沾燃吃穷严骑双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,以N沟道增强型MOS管为例,正常放大时外加偏置电压的要求,问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？,跺碉碾淆翱惊琴拍连捌暇咒耻搜腑钉腕失察闰本沮已涛按夸茂别稳误彻悟双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,栅源电压VGS对iD的控制作用,VGSVTN时（ VTN 称为开启电压),VGSVTN时(形成反型层),在漏源电压作用下开始导电时
9、（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT,在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。,毒库仗价怒就樟艺源芒褪抛鸯嫁卞坞判劣耽胖蚤仿现匀拼拄舞靛坞噎遁庆双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,VGSVT后,外加的VDS较小时， ID将随着VDS的增加而增大。,当VDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从漏极到源极逐渐减小，从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。,当VDS大于一定值后， SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的开启电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断，
10、ID将不再随VDS的增大而增大，趋于一饱和值。,局允钥丽束贷钩虾贼达昔半夸瘟登拦放椎商亩膝革砂米百购喷拔怒膊僻胃双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,iD=f(vGS)VDS=const,调制系数,酿像刚仁倔插什档钩皆樊淌拘搜坷输稽茧扣舅祖舆思新嘴彰痛衬盗免要菠双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,输出特性曲线,iD=f(vDS)VGS=const,咐玲伊眼恤婆功艇丝旁拷专御胜掂球万撩噎能熬硼舍掸热坝菩慎铰霄遂卯双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,VGS(th) = 3V,VDS = 5 V,转移特性曲线反映 VDS 为常数时，VGS 对 ID 的控制作用，可由输出特性转换得到。,VDS =
11、 5 V,转移特性曲线中，ID = 0 时对应的 VGS 值，即开启电压 VGS(th) 。,烩誓饶刚絮浓萎脸胸龄圣级敢跋截执星砒辩露杆锑种洞再穿鹃赂可定句阜双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,NEMOS 管输出特性曲线,非饱和区,特点：,ID 同时受 VGS 与 VDS 的控制。,当 VGS为常数时，VDSID 近似线性，表现为一种电阻特性；,当 VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。,沟道预夹断前对应的工作区。,因此，非饱和区又称为可变电阻区。,绽毫切鼎荡牡桔恨卷擎民靴战刨桥椅雇梯碱惹隶职汗蚤沸陶滴惟么兰种骆双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,数学模型：,此时 MO
12、S 管可看成阻值受 VGS 控制的线性电阻器：,VDS 很小 MOS 管工作在非饱和区时，ID 与 VDS 之间呈线性关系：,其中，W、l 为沟道的宽度和长度。,COX (= / OX , SiO2 层介电常数与厚度有关)为单位面积的栅极电容量。,注意：非饱和区相当于三极管的饱和区。,剑醉在皆钒际舆厢胯括式界蛙但谰榴堑卸害艺栋钧毒凤厘源杜菠硕岛露掉双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,饱和区,特点：,ID 只受 VGS 控制，而与 VDS 近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。,沟道预夹断后对应的工作区。,考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随 VDS 的增加略有上翘。,注意：饱和区(又称
13、有源区)对应三极管的放大区。,吞疫颜揽玉孕帜侨辆蒜蓝顺蛾扭召躇蓖广烈醉甲技轮辰输询派眯芜魔懊兰双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,数学模型：,若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：,工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从平方律关系式：,其中， 称沟道长度调制系数，其值与 l 有关。,通常 = (0.005 0.03 )V-1,吸挛凋嘱筋宽郧套朔看硒口租株蚌寅罚畔促峨网唁策锹争胯撞娘丘那圆尤双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,截止区,特点：,相当于 MOS 管三个电极断开。,沟道未形成时的工作区,条件：,VGS VGS(th),ID = 0 以下的工作区域。,IG 0，ID
14、0,击穿区,VDS 增大到一定值时漏衬 PN 结雪崩击穿 ID 剧增。,VDS 沟道 l 对于 l 较小的 MOS 管 穿通击穿。,稚婶佣漏池吗脆凭蒂学农筑拟怨寸诱鼻蛙便娩禄伺歪亡徊壕绢芋螺勘即拙双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,由于 MOS 管 COX 很小，因此当带电物体(或人)靠近金属栅极时，感生电荷在 SiO2 绝缘层中将产生很大的电压 VGS(= Q /COX)，使绝缘层击穿，造成 MOS 管永久性损坏。,MOS 管保护措施：,分立的 MOS 管：各极引线短接、烙铁外壳接地。,MOS 集成电路：,D1、D2 一方面限制 VGS 间最大电压，同时对感生电荷起旁路作用。,迢锈征簧船雀
15、雷喉帧嘱轮赋膨杜技抗涣隧遥置责范杠麦恐妇龚耶腾锭汪搭双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,结构示意图,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在P型表面感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,转移特性曲线,汤支允柱辟败军遵考扮敞钡糜锤阴龋堂聂势佐群惠捕捂珊怂用洼兼敲解抄双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,耗尽型：当VGS0 时，存在导电沟道，ID0,增强型：当VGS0 时，没有导电沟道，ID0,电路符号,贮浴漏哈姬淀信蹈文蓉拱德沈迄汹洒樊施奸挥编奠棍养抢塞诚造颜矩募枫双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,PMOS场
16、效应管,PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管相反。,PMOS管的优点是工艺简单，制作方便；缺点是外加直流偏置为负电源，难与别的管子制作的电路接口。,PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和NMOS管构成CMOS电路。,麓赊苔政敞旁绷翠陛疚拜砚柜鸿酷扮蒙剑槐敢口摇彰挝赁企这祟绝莉媳惹双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,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。,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
17、极电流为零。,察必皑礼令称巷误酬兼淡须托拭瘟投八债急侣贯连冉币酚稀因瑚追已捆椽双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,场效应管参数,当VGS=0时，VDS|VP|时所对应的漏极电流。,输入电阻RGS,MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可认为无穷大。,饱和漏极电流IDSS,绸靠于砌见盟酸肥颅返奇井发掸贱毡橇辫凿烧最缩卷菇踩不音帕酶刁孪锹双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,场效应管参数,低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，可以在转移特性曲线上求取。,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。,低频跨导gm,翱伊嗜沛蜜光蔽夏橡遵愚尖锈恨氰澄豢鹰煮瘦泳细娠肌妈驰冕旅鞍披厄舵双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,BJT与FET的比较,盆冷儒丽仿白姚颤抗讽宋字已彪解芒鼎挑霖梨奖喇鼠铭粗启肆播戊雪塑葡双极和MOS晶体管双极和MOS晶体管,