绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
简述IGBT的主要特点和工作原理
简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。
由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。
IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。
GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。
MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。
非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。
封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。
IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。
一般IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。
IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。
二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。
N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。
N基区称为漏区。
器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。
沟道形成在栅区的边界处。
C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。
漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。
它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。
它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。
《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。
igbt元件的工作原理和应用
IGBT元件的工作原理和应用1. 引言在现代电力电子技术中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种重要的元件，具有高电压、高电流和高开关速度等特点。
本文将介绍IGBT元件的工作原理和应用。
2. IGBT工作原理IGBT是一种由MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（双极型晶体管）组成的混合型元件。
其工作原理可以分为以下几个步骤：1.输入信号引发控制端电压：控制端的电压作用下，形成子结和耗尽区的条件。
2.条件形成轉移区：控制端电压作用下，在轉移区域存在大电容，电荷会在下一个周期传播到发射区，IGBT结束通导状态。
3.发射区的导通：一旦适当的控制电流和电压施加后，MOS管中的电子开始导通，激活BJT的发射层。
4.提供辅助电压以维持MOS的导通：一旦电子开始导通，就必须通过辅助电压维持MOS的导通，以防止MOS关闭。
综上所述，IGBT的工作原理是通过不断改变控制端电压，并在MOS和BJT之间建立通路来控制导通和截止。
3. IGBT的应用IGBT作为一种重要的电子元件，广泛应用于各个领域。
以下是几个常见的应用领域：3.1 电力传输和变换IGBT在电力传输和变换领域起着重要作用，主要应用于交流换流器、逆变器和直流调节器等设备中。
IGBT的高电压和高电流承受能力，使其能够在电力系统中进行高效的能量转换和传输。
3.2 光伏发电系统在光伏发电系统中，IGBT用于逆变器中，将光伏电池板产生的直流电转换为交流电，以供电网使用或直接驱动电动设备。
3.3 汽车电子系统IGBT在汽车电子系统中的应用越来越广泛，用于电动车的控制系统、混合动力汽车的驱动系统和燃油喷射系统等。
IGBT的高开关速度和高电压能力使其适用于汽车中的高频电子设备。
3.4 变频空调在变频空调中，IGBT用于控制压缩机的工作，以实现空调系统的制冷和加热功能。
IGBT的高效能转换和低能耗使其成为变频空调系统的关键组成部分。
3.5 高速列车在高速列车领域，IGBT被用作高压变流器，用于控制高速列车的起动、制动和稳定运行。
解析IGBT工作原理及作用
解析IGBT工作原理及作用一、IGBT是什幺 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
三大特点就是高压、大电流、高速。
二、IGBT模块 IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
IGBT的等效电路如图1所示。
由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，。
绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（Insulated-GateField-EffectTransistor，IGFET）也称为绝缘介质场效应晶体管，是一种场效应晶体管，具有线性特征，它使用了加入了一个带有外部驱动器的可控场栅。
IGFET 包括金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），极化金属氧化物场效应晶体管（PMOSFET）和准分立双极型（JFET）场效应晶体管。
这些晶体管的操作或依赖较小的电场，作出反应，它们是基于场栅的控制，而不是电流。
它们有很多优点，例如有很小的电场驱动和能耗，以及宽的通行范围和高的集电极电压利用率，它们也有很小的磁耦合和抗漏电能力（EMI）影响。
绝缘栅场效应管的工作原理绝缘栅场效应管（IGFET）是由一个晶体管和一个控制电极组成的，它在工作时受到一种较小的外加电场的作用，由控制电极控制，从而控制了晶体管的电流通过。
它有三个端口，栅极（G），源极（S）和漏极（D）。
当隔离场介电层（它在栅极和晶体管的源极/漏极之间）被电场作用激活，电流就会从源极进入漏极，即由此产生管的当量电路效果，从而实现将外加的小电场控制的输入信号转换为输出电流的功能。
绝缘栅场效应管的应用绝缘栅场效应管（IGFET）在许多电子电路中都有广泛的应用，其中最常见的是开关模式，用于将输入信号转换为输出相应的开关状态。
它们还可用于模拟应用，例如控制放大器，滤波器和电源管理等。
在微处理器和其他综合电路中，它们用作开关和驱动器。
此外，绝缘栅场效应管还可以用于制作高功率放大器，电动机驱动器和电源控制器等。
绝缘栅场效应管的发展绝缘栅场效应管（IGFET）被发明于1960年，它有着可充电量子井层结构，更高效率，更低漏电流等诸多优点，使其在微电子领域取得了巨大成功。
随着技术的进步，新型绝缘栅器件不仅可以提高集电极电压利用率，而且可以在更高的温度和频率范围内工作，因此可以将这类器件应用于更多的工程领域。
未来，绝缘栅场效应管将成为集成电路中更可靠、抗漏电、节能的控制元件。
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管的工作原理
绝缘栅双极晶体管是一种三端半导体器件，也被称为IGBT。
IGBT 包含一个P型衬底，两个N型外延层和一个PNPN结构。
其中，N+型区
域和P+型区域用于接触电极，形成源极（S）、栅极（G）和漏极（D）。
IGBT的工作原理是在栅极与源极之间加上一个正向电压，即形成了一个正向偏压，在PN结和N导电层之间形成一个细窄的储存电荷区域。
当从源极施加正向电压时，由于P层和N+层之间的势垒，会产生
大量的少数载流子，这些载流子被P层电场加速后，穿过N层，耗散
在收集区域。
在使G极与S极之间加正向电压的同时，在栅极上接上
一个信号电压，使G极形成一个电场，这个电场就能控制S极和D极
之间通道的导电状态，因此，IGBT可以实现大电流控制的功能。
当栅极电压较低时，极个电场也较弱，S与D之间的场效应导电
是较弱的。
当栅极电压增加到一定程度时，P衬底和N+区之间的PN结
区域就会放电，电子被注入N+区域，从而形成一个N+掺杂的导电通道，从而使S和D之间的电阻变得非常小，此时IGBT处于导通状态，可以
实现大电流放电。
MOS场效应管工作原理及特性(1)
常用半导体器件原理
MOS场效应管工作原理 及特性曲线(1)
西电丝绸之路云Байду номын сангаас堂
孙肖子
∙1∙
绝第缘四栅章场效应管(I常GF用ET半) 导体器件原理
绝缘栅场效应管的结构、类型及符号
半半 半半 半半
S GD
型型 S
G
D
半 半 半 ( SiO2 )
A1型
NP++
PN++
半 半 半
L
NP半 半 半
B
半半半 (SiO2)
D常用半导体器件原理
半 半 半 ( SiO 2 )
N＋
N＋
型型型型
半半半
P 型型型型
B 型型型型
MOS
EMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
DMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
S
ENMOS
S
EPMOS
S
DNMOS
S
DPMOS
∙3∙
N沟道增强型M第OS四管章
常用半导体器件原理
W
PN+＋
NP＋+ 半 半 半
型型型型
NP 型 型 型 型
B 型型型型
绝缘栅场效应管由金属-氧化物-半导体构成(Metal-
Oxide-Semiconductor)，故又简称为MOSFET。导电沟道平行于表
面。且栅极与沟道是绝缘的,栅极电流为零 iG=0。
∙2∙
MOS管类型及 符号
型 型第四S 章 G
,绝缘栅双极型晶体管
,绝缘栅双极型晶体管
摘要：
1.绝缘栅双极型晶体管的概念与结构
2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理
3.绝缘栅双极型晶体管的特点与应用
4.绝缘栅双极型晶体管的发展趋势
正文：
绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）是一种高反压大电流器件，它是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
IGBT 兼具MOSFET 的高输入阻抗和双极型晶体管的低导通压降两方面的优点，具有较高的开关速度和较低的导通损耗，常用于大功率放大输出、电磁炉等应用。
IGBT 的工作原理是通过控制MOS 管的栅极，再由MOS 管控制晶体管的通断。
当MOS 管的栅极施加正向电压时，MOS 管导通，晶体管也随之导通；当MOS 管的栅极施加负向电压时，MOS 管截止，晶体管也随之截止。
这样，通过控制MOS 管的栅极电压，可以实现对晶体管的控制，从而达到开关电路的目的。
绝缘栅双极型晶体管具有以下特点：
1.高反压：由于晶体管的集电极和发射极之间有较高的反压，使得IGBT 可以承受较高的电压。
2.大电流：IGBT 具有较大的电流容量，可以承受较大的电流。
3.高开关速度：IGBT 的开关速度较高，可以实现高频率的开关操作。
4.低导通压降：IGBT 的导通压降较低，可以降低能耗和导通损耗。
随着科技的发展，绝缘栅双极型晶体管的应用领域不断扩大，包括新能源、工业控制、家用电器等领域。
igbt工作原理
igbt工作原理
IGBT，即绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一种常用的功率电子器件。
IGBT结构上同时具备场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）的特点，因此能够实现高电压和高电流的控制。
IGBT的工作原理大致可分为四个阶段：
1. 开启（Turn-On）阶段：当输入信号（称为栅极信号）被应用于IGBT的控制端时，栅极电极上形成强电场，这个电场通过绝缘层作用于底部的N型材料。
这个电场吸引P型材料中的载流子向绝缘层附近靠拢。
2. 激活（Activation）阶段：当达到一定电压时，底部的N型材料中的P-N结将会被击穿，载流子开始穿越绝缘层并进入N型材料。
在激活期间，绝缘层的电容会存储一定电量。
3. 饱和（Saturation）阶段：一旦激活完成，电流开始自绝缘层源源不断地流入P型材料，使其达到饱和状态。
在饱和状态下，整个电流将通过P-N结和N型材料。
4. 关断（Turn-Off）阶段：当栅极信号被取消时，电场在较短的时间内被去激活。
此时，绝缘层上存储的电荷被释放，并迅速恢复到最初的非激活状态。
IGBT进入到可关断状态。
需要注意的是，IGBT的开关速度相对较低，由于其PN结的扩散和复合时间会导致一定的开关延迟。
因此，在高频应用和
快速开关场景中，MOSFET可能会更为适合。
总之，IGBT通过栅极信号的控制，以实现高电压和高电流的
控制，因此在工业控制、变频器、电力传输等应用中广泛使用。
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
mosfet工作原理
MOS晶体管也称为场效应晶体管（FET），它是集成电路中的绝缘FET。
MOS的全名是金属氧化物半导体。
具体地，该名称描述了集成电路中的MOS晶体管的结构，即，将二氧化硅和金属添加到某个半导体器件中以形成栅极。
可以切换MOS晶体管的源极和漏极，这两个都是在p型背栅中形成的n型区域。
1. MOS晶体管的工作原理MOS晶体管也称为场效应晶体管（FET），它是集成电路中的绝缘FET。
MOS的全名是金属氧化物半导体。
具体地，该名称描述了集成电路中的MOS晶体管的结构，即，将二氧化硅和金属添加到某个半导体器件中以形成栅极。
可以切换MOS晶体管的源极和漏极，这两个都是在p型背栅中形成的n型区域。
在大多数情况下，两个区域是相同的。
即使两端进行了切换，设备的性能也不会受到影响。
MOS晶体管2. MOS晶体管的工作原理-MOS晶体管的结构特性MOS晶体管的内部结构如下图所示；导通时，只有一个极性载流子（多载流子）参与导通，这是一个单极晶体管。
传导机制与低功率MOSFET的传导机制相同，但结构差异很大。
低功率MOSFET是横向导电器件。
大多数功率MOSFET采用垂直导电结构，也称为VMOSFET，可大大提高MOSFET的耐压和电流电阻。
它的主要特点是在金属栅与通道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。
当管打开时，在两个高浓度n扩散区域中形成n型导电通道。
n沟道增强型MOS晶体管必须在栅极上施加正向偏置电压，只有当栅极源极电压大于阈值电压时，才能通过导通沟道来生成n沟道MOS晶体管。
N沟道耗尽型MOSFET是指具有导通沟道而无栅极电压（栅极源极电压为零）的n沟道MOS晶体管。
3. MOS晶体管的工作原理-MOS晶体管的特性3.1mos晶体管的输入输出特性对于具有公共源极连接的电路，源极和基板通过二氧化硅绝缘层隔离，因此栅极电流为0。
当VGSMOS晶体管的特性关于3.2mos晶体管的特性作为开关元件，MOS晶体管还处于截止或导通两种状态。
怎么理解绝缘栅双极型晶体管
怎么理解绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管是一种重要的电子器件，它在电子电路中具有广泛的应用。
本文将从多个角度对绝缘栅双极型晶体管进行解析，以帮助读者更好地理解这一器件的原理和特性。
一、绝缘栅双极型晶体管的基本结构和工作原理绝缘栅双极型晶体管由三个区域组成，分别是发射区、基区和集电区。
其中，基区与发射区通过绝缘栅隔离，从而使得绝缘栅双极型晶体管具有了与普通双极型晶体管不同的特性。
绝缘栅双极型晶体管的工作原理是基于PN结的导电特性。
当在绝缘栅上施加正向偏置电压时，绝缘栅与发射区之间的势垒被打破，发射区的电子就会注入到基区中。
这样，基区就会形成一个电子多数载流子的区域，而发射区则成为一个电子少数载流子的区域。
当在集电区施加正向偏置电压时，电子就会从基区进一步注入到集电区，从而形成电流。
二、绝缘栅双极型晶体管的特性和应用1. 高输入电阻：绝缘栅双极型晶体管的绝缘栅与基区之间存在着绝缘层，因此绝缘栅双极型晶体管具有很高的输入电阻，可以减小输入电路的负载效应，提高电路的灵敏度。
2. 低输出电阻：绝缘栅双极型晶体管的集电区电流增大时，由于电子注入的增加，集电区的电导率也会增加，从而降低了输出电阻，提高了电路的输出功率。
3. 快速开关速度：绝缘栅双极型晶体管具有快速的开关速度，可以实现高频率的信号放大和开关控制。
这使得它在射频放大器、频率合成器和通信系统中得到广泛应用。
4. 小型化和集成化：由于绝缘栅双极型晶体管的特殊结构，它可以实现微小尺寸的制造，从而有利于集成电路的小型化和高集成度。
绝缘栅双极型晶体管在电子电路中有着广泛的应用。
例如，在放大电路中，它可以用作低噪声放大器、功率放大器和运算放大器等。
在开关电路中，它可以用于数字逻辑门、触发器和计数器等。
此外，由于绝缘栅双极型晶体管的特殊性能，它还被广泛应用于射频通信、无线传感器网络和医疗器械等领域。
三、绝缘栅双极型晶体管的发展趋势和挑战随着科技的不断进步，绝缘栅双极型晶体管也在不断发展和演进。
《绝缘栅型场效应管》课件
结型场效应晶体管，用于高频放大器和高速开关。
绝缘栅型场效应管的特性
特性曲线
绘制电流和电压之间的关系曲线，可以了解绝 缘栅型场效应管的工作特性。
电流、电压和功率的关系
通过改变电压，可以控制电流和功率的输出。
绝缘栅型场效应管的应用
1
电子器件中的应用
绝缘栅型场效应管广泛应用于集成电路、电源管理和通信设备场效应管可用于控制太阳能光伏电池板的功率输出和电流传输。
绝缘栅型场效应管的优点和缺点
优点
可靠性高、电源电压低、功率损耗小、尺寸小、响应速度快。
缺点
电磁干扰敏感、温度变化影响性能、微电子制程技术要求高。
绝缘栅型场效应管的未来展望
1 技术趋势
2 发展前景
随着科技的不断发展，绝缘栅型场效应管 将趋向更小尺寸、更高功率和更低损耗。
绝缘栅型场效应管的结构和工作原理
MOSFET结构
MOSFET由绝缘栅、源和漏构成，当施加电压到 绝缘栅时，控制了漏-源通道上的电流。
JFET结构
JFET由绝缘栅、源和漏构成，其电流可通过调 节绝缘栅电压来控制。
常用的绝缘栅型场效应管
1 MOSFET
金属-绝缘体-半导体场效应晶体管，广泛应用于数字和模拟电路中。
绝缘栅型场效应管在电子领域的应用将继 续扩大，推动科技和工业发展。
《绝缘栅型场效应管》 PPT课件
这是一个关于绝缘栅型场效应管的PPT课件。我们将介绍绝缘栅型场效应管 的结构、工作原理、特性、应用以及未来展望。
什么是绝缘栅型场效应管
简介
绝缘栅型场效应管是一种重要的半导体器件， 可用于电子系统中的放大、开关和调节。
分类
根据不同结构和特性，绝缘栅型场效应管可 以分为MOSFET和JFET两种类型。
igbt的结构及原理
igbt的结构及原理
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种结合了MOSFET（金属
氧化物半导体场效应晶体管）和双极型晶体管的功率开关器件。
它的结构包括四个区域：N+型区域，P型区域，N型区域和
P+型区域。
IGBT的N+型区域与P型区域之间形成一个PN结，被称为集
电极（collector）-耗尽区（depletion region）。
在集电极-耗尽
区之上，有一个N型区域，被称为漂移区（drift region）。
漂
移区之上，有一个P+型区域，称为源极（source）。
IGBT的工作原理基于源极到漂移区之间的N沟道效应。
当源
极上的电压高于漂移区时，沟道导电会被打开，电流可以从源极到漂移区流动。
当沟道导电打开后，通过控制栅极电压可以调节电流流动。
IGBT的工作过程如下：当栅极和源极之间的电压高于阈值电
压时，沟道导电打开，电流从源极流过漂移区到集电极，此时处于导通状态。
当栅极和源极之间的电压低于阈值电压时，沟道导电关闭，电流无法从源极流过漂移区到集电极，此时处于截止状态。
IGBT的优点在于具有低导通电阻和较高的开关速度。
其低导
通电阻可实现高电流承载能力，开关速度则决定了其在高频应用中的可用性。
另外，IGBT还具有较高的开关效率和较低的
开关噪声。
总之，IGBT是一种结合了MOSFET和双极型晶体管的功率开关器件，具有低导通电阻和较高的开关速度，适用于高频应用和要求高电流承载能力的场合。
课件3-增强型绝缘栅场效应晶体管[7页]
![课件3-增强型绝缘栅场效应晶体管[7页]](https://img.taocdn.com/s3/m/6590f56fc77da26924c5b02d.png)
增强型绝缘栅场效应晶体管
南京信息职业技术学院
金属－氧化物－半导体场效应管
模拟电子技术
分类：
MOSFET
增强型 耗尽型
N沟道
P沟道 N沟道 P沟道
所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道， 必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成沟道的 FET，称为增强型FET。
所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电
沟道，uDS≠0,iD≠0的FET，称为耗尽型FET。
南京信息职业技术学院
.N沟道增强型MOSFET
模拟电子技术
1. 结构
SiO2 绝缘层
源 极s
-
栅极与源极、漏极都是绝缘--绝缘栅型场效应管
铝电极
(IGFET)
栅 极-g 漏 极d
-
符号：
N+
N+
半导体
P衬 底
-
衬 底b
南京信息职业技术学院
GS分开: 绝缘
s vGS g
d
N+
N+
P（衬底）
B
模拟电子技术
导电沟道形成后
uGS增大
受控机理 iD受控uGS
N沟道将加宽
电流iD增大
与JFET区别:
JFET:用uGS来控制耗尽层宽窄,影响导电沟道的宽窄 增MOS:用uGS来直接控制导电沟道的宽窄
南京信息职业技术学院
南京信息职业技术学院
模拟电子技术
s
g
d
N+
N+
P（衬底）ຫໍສະໝຸດ BuGS增大构成了漏源极之间的N型导电沟 道
导电沟道
uGS=0,无沟道(夹断状态) uGS ≥UGS,th,产生沟道(开启状
VDMOS的工作原理与特性曲线
电力场效应管电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。
开关速度快，工作频率高。
热稳定性优于GTR。
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
电力MOSFET主要是N沟道增强型。
电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件。
电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。
按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
电力MOSFET的基本特性(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
绝缘栅型场效应晶体管
绝缘栅型场效应晶体管绝缘栅型场效应晶体管（Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET），也称金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），是一种重要的半导体器件，是当代集成电路和数码电子技术中最重要的元件之一。
它是一种有源晶体管，通常使用硅材料制作。
它的主要特点是：它的栅极和通道之间由绝缘层（通常是氧化铝）隔开，因此称为绝缘栅型；通过对栅极施加电场控制通道中的电子数，因此称为场效应晶体管；且它的导电性能主要是由半导体材料和栅氧化层的特性决定的，非常适合集成在单片上。
IGFET可以分为两类：N沟道型（N-channel）和P沟道型（P-channel）晶体管，分别由N型和P型半导体材料制成。
N 沟道型MOSFET是最常用的，它的通道材料是N型半导体，其导电性能是由电子决定的。
输入电压通过栅极引入通道，进而控制电子在通道中的流动，从而控制整个器件的电流和功率。
IGFET有很多应用，包括数字存储和处理、电源开关、放大器、电压调节器等等。
由于它具有低功耗、高效率、体积小、可靠性高、寿命长等优点，因此广泛应用于集成电路和各种电子产品中。
IGFET的关键特点还包括：1. 高输入阻抗：由于栅极和通道之间的绝缘层，栅极与通道之间几乎没有电流流过，因此栅极具有非常高的输入阻抗。
2. 低开关损耗：由于IGFET是通过导通电流的方式控制电子的流动，因此与BJT相比，IGFET具有更低的开关损耗。
3. 独立电源控制：IGFET的电流只受栅极电压控制，不受电源电压影响。
这意味着，IGFET可以通过改变栅极电压调节它的工作状态，而不需要改变电源电压。
4. 低噪声：由于IGFET的输入阻抗高，因此在放大器应用中，它可以减少电路中的噪声。
5. 高温稳定性：由于IGFET的电流控制不依赖于电子的注入，因此其工作稳定性和可靠性在高温环境下具有优势。
4.1-MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
国家标准对半导体三极管的命名如下:
3 D G 110 B
用字母表示同一型号中的不同规格
用数字表示同种器件型号的序号
用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管
第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管
2022/1/15
第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
N+
G
P 型衬底
B
D B
S
IDSS
夹断电压
ID /mA
6 5 I DSS 4 3 2
1
4 3 2 1 UGS(off)
0
U GS/V
当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加。 UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称 为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移 特性曲线如右上图所示。
增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET
的结构示意图和符号见图
02.13。其中： D(Drain)为漏极，相当c；
G(Gate)为栅极，相当b；
S(Source)为源极，相当e。
图4.1 N沟道增强型
MOSFET结构示意图（动画2-3）
第4页，共31页。
如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS 管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS 。
表示衬底在 内部没有与 源极连接。
N沟道耗尽
型
MOSFET 管。漏、 衬底和源 不断开表 示零栅压 时沟道已 经连通。
如果是P沟道，箭头则向外。
场效应晶体管的栅极和电极的四种类型
场效应晶体管的栅极和电极的四种类型
场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）是一种常用的电子器件，其工作原理是通过电场来控制导电沟道的导电能力，从而实现信号的放大或开关。
根据结构和工作原理的不同，场效应晶体管可以分为四种类型，分别是：
1. 结型场效应晶体管（JFET）：这种类型的场效应晶体管有两个 PN 结，分别形成导电沟道和反型层。
在栅极电压的作用下，导电沟道的宽度会发生变化，从而控制源极和漏极之间的电流。
2. 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）：这种类型的场效应晶体管在金属、氧化物和半导体之间形成电场，通过改变这个电场来控制导电沟道的导电能力。
MOSFET 是目前应用最广泛的场效应晶体管之一。
3. 绝缘栅双极晶体管（IGBT）：这种类型的场效应晶体管结合了 FET 和BJT 的特点，由一个 FET 和一个 BJT 组成。
在栅极电压的作用下，IGBT 可以实现高速的开关和放大信号。
4. 高电子迁移率晶体管（HEMT）：这种类型的场效应晶体管采用特殊的半导体材料，如 GaN 和 InGaAs 等，可以实现更高的电子迁移率。
HEMT 在高速和高频领域有广泛的应用。
以上是场效应晶体管的四种类型，每种类型都有其独特的特点和应用场景。
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绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。
它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。
在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。
绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。
每种又有增强型和耗尽型两类。
下面简单介绍它们的工作原理。
1、增强型绝缘栅场效应管
2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。
另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
它的栅极与其他电极间是绝缘的。
图6-38(b)所示是它的符号。
其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
图6-38 N沟道增强型场效应管
场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。
从图
6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。
当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。
UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图6-39(c)所示。
UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。
我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用UT表示。
图6-39 N沟道增强型场效应管的沟道形成图
由上述分析可知，N沟道增强型场效应管在UGS＜UT时，不能形成导电沟道，场效应管处于截止状态。
只有当UGS≥U T时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压UDS，才有漏极电流ID产生。
而且UGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，ID增大。
这是N沟道增强型场效应管的栅极电压控制的作用，因此，场效应管通常也称为压控三极管。
N沟道增强型场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线如图6-40和图6-41所示。
图6-40 N沟道增强型场效应管的输出特性曲线
图6-41 N沟道增强型场效应管的转移特性
2．耗尽型绝缘栅场效应管
从结构上看，N沟道耗尽型场效应管与N沟道增强型场效应管基本相似，其区别仅在于当栅-源极间电压UGS= 0时，耗尽型场效应管中的漏-源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在UGS≥U T时才出现导电沟道。
原因是制造N沟道耗尽型场效应管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型场效应管时掺入负离子)，如图6-42(a)所示，因此即使UGS=0，在这些正离子产生的电场作用下，漏-源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压UDS，就有电流ID。
如果加上正的UGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，ID增大。
反之，UGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小。
当UGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，ID趋于零，该管截止，故称为耗尽型。
沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，用UP表示，为负值。
在UGS=0、UGS>0、UP<UGS<0的情况下均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流下均能实现对ID的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。
这是耗尽型场效应管的一个重要特点。
图6-42 N沟道耗尽型场效应管
图6-42(b)是N沟道耗尽型场效应管的代表符号。
图6-43是N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线，图6-44是N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线。
实验表明，耗尽型场效应管的转移特性可近似用表示
为
图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线
图6-44 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线
以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。
图6-45 P沟道绝缘栅场效应晶体管
绝缘栅场效应管还有一个表示放大能力的参数，即跨导，用符号gm表示。
跨导gm是当漏—源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ΔI D对引起这一变化的栅—源电压ΔU DS的比值，
即
(6-23)
跨导是衡量场效应晶体管栅—源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，它的单位是μA/V或mA/V。