MOS场效应晶体管的结构工作原理.ppt

场效应晶体管有二种结构形式 1 绝缘栅型场效应晶体管又分增强型和耗尽型二类2 结型场效应晶体管 只有耗尽型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用 绝缘栅场效应晶体管 MOSFET 分为增强型和耗尽型两大类 每类中又有N沟道和P沟道之分 不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类 场效应晶体管的种类要多一些 但是它们的工作原理基本相同 所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明 4 1MOS场效应晶体管的结构 工作原理 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4 1 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 1N沟道增强型MOSFET结构示意图 动画 绝缘栅型场效应三极管MOSFET MetalOxideSemiconductorFET 分为增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 1N沟道增强型MOSFET的结构 取一块P型半导体作为衬底 用B表示 用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层 然后用光刻工艺腐蚀出两个孔 扩散两个高掺杂的N型区 从而形成两个PN结 绿色部分 从N型区引出电极 一个是漏极D 一个是源极S 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示 左面的一个衬底在内部与源极相连 右面的一个没有连接 使用时需要在外部连接 动画2 3 2N沟道增强型MOSFET的工作原理 对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理 分两个方面进行讨论 一是栅源电压UGS对沟道会产生影响 二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响 从而对输出电流 即漏极电流ID产生影响 1 栅源电压UGS的控制作用 先令漏源电压UDS 0 加入栅源电压UGS以后并不断增加 UGS带给栅极正电荷 会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走 从而形成一层负离子层 即耗尽层 用绿色的区域表示 同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷 若电子数量较多 从而在漏源之间可形成导电沟道 沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反 称为反型层 此时若加上UDS 就会有漏极电流ID产生 反型层 当UGS较小时 不能形成有效的沟道 尽管加有UDS 也不能形成ID 当增加UGS 使ID刚刚出现时 对应的UGS称为开启电压 用UGS th 或UT表示 动画2 4 2 漏源电压UDS的控制作用 设UGS UGS th 增加UDS 此时沟道的变化如下 显然漏源电压会对沟道产生影响 因为源极和衬底相连接 所以加入UDS后 UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内 漏极和衬底之间反偏最大 PN结的宽度最大 所以加入UDS后 在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区 从而影响沟道的导电性 当UDS进一步增加时 ID会不断增加 同时 漏端的耗尽层上移 会在漏端出现夹断 这种状态称为预夹断 预夹断 当UDS进一步增加时 漏端的耗尽层向源极伸展 此时ID基本不再增加 增加的UDS基本上降落在夹断区 动画2 5 3N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条 转移特性曲线和漏极输出特性曲线 1 转移特性曲线 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示 它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系 可用这个关系式来表达 这条特性曲线称为转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 gm称为跨导 这是场效应三极管的一个重要参数 单位mS mA V 2 漏极输出特性曲线当UGS UGS th 且固定为某一值时 反映UDS对ID的影响 即ID f UDS UGS const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线 场效应三极管作为放大元件使用时 是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区 从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小 但是改变UGS可以明显改变漏极电流ID 这就意味着输入电压对输出电流的控制作用 曲线分五个区域 1 可变电阻区 2 恒流区 放大区 3 截止区 4 击穿区 5 过损耗区 可变电阻区 截止区 击穿区 过损耗区 从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线 过程如下 4N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示 它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子 所以当UGS 0时 这些正离子已经感生出电子形成导电沟道 于是 只要有漏源电压 就有漏极电流存在 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 夹断电压 IDSS P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理 P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 关于场效应管符号的说明 N沟道增强型