4.1MOS场效应晶体管的结构工作原理

1、4.1 MOS场效应晶体管的结构、工作原理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。绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为增强型->N?q道、P沟道样尽型tN湎道、P闵道soGo

2、N+D0DGo-SISOBN沟道箭头向里 衬底断开N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 4.1 o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沟道增爭型MOSFET结构示意图(动画)1 N沟道增强型MOSFET的结构SiO2BG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, 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

3、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。H戏二2 N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 讨论，一是栅源电压”GS对沟道 沟道产生影响，从而对输出电流1.栅源电压”GS的控制彳工作产生UdS°SiO2的电子电, 漏源之间沟道 电性质相/ Uds-*00©®-P型衬底当/迟较小时，不能形成有 效的沟道，尽管加有Uds，也不 能形成心。当增加Ugs，使刚 刚出现时，对应的Ugs称为开启 电压，用t/Gs（th）或片表示。Ds=O,加入栅源电Do电荷，会将正对 岳中的空穴推走,里，分两

4、个方面进行 乏腳电压Uds也会对 影响。显然改变Ugs 就会改变沟道， 从而影响9 这说明C/gs对A） 的控制作用。1离子层，即耗尽层，用O oQ0空穴电子正离子负离子/DP型衬底02 1So o © o空穴电子正离子负离子2 漏源电压"ds的控制作用设”GS> ”GS(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”DS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”DS进一步增加时，心会不

5、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。当Uds进一步增加时，漏端的耗尽层 向源极伸展，此时/d基本不再增加，增加 的”DS基本上降落在夹断区。3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线转移特性曲线和漏N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条, 极输出特性曲线。1）转移特性曲线mAg mN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"gs对漏极电流的控制关系，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弘反映了栅 源电压对漏极电流的控制作用。6/ DS=const单位mS (mA/V)称为跨导。这

6、是场效应三极管的一个 重要参数。水平段的恒流区，&S可以明显改变漏极电流 作用。从曲线上可以看出Uds对的影响很小。但是改变112)漏极输出特性曲线当Ugs>Ugs(w 且固定为某一值时，反映Uds对4)的影响，即 W(t/DS)I const一关系曲线称为。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这就意味着输入电压对输出电流的控制曲线分五个区域：(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:IJ mAAmAADS=1OV丿卜日;L1旦0llA 11- 一 -4V3.5V.510 1

7、5_±3V三 2 DS / VO二#二亠I 1UGS (th)A % /VDOSSiO2P型衬底4 N沟道耗尽型MOSFETN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。5 G D当”GS=0时，对应的漏极电流用，DSS表示。当”GS>0时，将使进一 步增加。UGS<0时，随着&s的减小漏极电流逐渐减小，直至心=0。对 应/沪0的"gs称为夹断电压，用符号GS(off)表示，有时也用表示。N沟 道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。P沟道增强型MO S FET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:BD9P5I0 SGDOSDSN沟道增强 型MOS管， 衬底箭头