场效应晶体管的结构工作原理和输出特性

1、 作成：高能杰 扬州虹扬科技发展有限公司2014年8月HY Technology Development Co., Ltd.1. 半导体材料简介半导体材料简介2. 场效应管简介场效应管简介3. 场效应管分类场效应管分类4. N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管工作原理场效应管工作原理5. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管工作原理场效应管工作原理6. 各种场效应的特性曲线各种场效应的特性曲线7. 场效应管与双极型晶体管比较场效应管与双极型晶体管比较8. 场效应管的各项参数场效应管的各项参数9. 场效应管的命名规范场效应管的命名规范目录：目录：半导体材料简介半导体材料简介 硅和锗的原子结构和共

2、价键结构 1234 N型半导体的共价键结构 5P型半导体共价键结构 67 空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。8空间电荷区空间电荷区 PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条。在一定条件

3、（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +P区区N区区空间电荷区空间电荷区9少子少子漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结 P 区 N 区 载流子的扩散运动 多子多子扩散扩散 形成空间

4、电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 P 区 空间电荷区 N 区 PN 结及其内电场 内电场方向 101112场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。主要有两种类型:1.（Junction FETJFET)结型场效应管；2.金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET，简称MOSFET）绝缘栅型场效应管或者MOS场效应管结型场效应管和MOS场效应管都有N沟道和P沟道之分，MOS场效应管还有增强型和耗尽型之分，结型场效应管只有耗尽型，所以场效应管共有六种类型的管子。场效应管由多数载流子参与导电，也称

5、为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（1071015）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应晶体管简介场效应晶体管简介13 N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图。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。 N沟道增强型 MOSFET结构示意图 绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道14 如果在

6、同一如果在同一N型衬底上同时制造型衬底上同时制造P沟沟MOS管和管和N沟沟MOS管，（管，（N沟沟MOS管制作在管制作在P阱内），这就构成阱内），这就构成CMOS1516N沟道增强型MOSFET的结构P型衬底BSiO2N+N+SDG 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

7、时需要在外部连接。DGSBDGSB17N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SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 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

8、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 显然改变显然改变UGS就会改变沟道，就会改变沟道，从而影响从而影响ID ，这说明这说明UGS对对ID的控制作用。的控制作用。0DSU 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。18漏源电压UDS的控制作用 设UGSUGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 显然漏源电压会对沟

9、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。DI19 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OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N沟道增强型

10、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。constGSDmDSUUIg单位mS（mA/V）N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的特性曲线的特性曲线202.2.漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线 当UGSUGS(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

11、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。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.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21OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU22N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFETSDGPN+N+SiO

12、2型衬底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) 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UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0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IDSS23MOSFETMOS

13、FET的分类的分类 N型衬底制成的管子，其漏源区是型衬底制成的管子，其漏源区是P型的，型的，称为称为P沟沟MOS场效应管场效应管； P型材料制成的管子，其漏源区是型材料制成的管子，其漏源区是N型的，型的，称为称为N沟沟MOS场效应管场效应管。24 MOSFETMOSFET的四种类型的四种类型P沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成负的栅压才能形成P型沟道。型沟道。N沟增强型沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成正的栅压才能形成N型沟道。型沟道。N沟耗尽型沟耗尽型：栅压为零时，沟道

14、已存在，加上一个：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使负的栅压才能使N型沟道消失。型沟道消失。252627关于场效应管符号的说明：关于场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增强型MOSFET管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。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。 N沟道结型FET管。没有绝缘层。如果是P沟道，箭头则向外。28各类场效应晶体管的特性曲线各类场效应晶体管的特性曲线N沟道增强型P沟道增强型MOS场效应管29MOS场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型30结型场效应管 N

15、沟道耗尽型P沟道耗尽型31双极型和场效应管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS() 电压控制电流源VCCS(gm)32 双极型三极管 场效应三极管噪声 较大 较小温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上静电影响 不受静电影响 易受静电影响集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成33场效应三极管的

16、参数和型号(1) (1) 场效应三极管的参数场效应三极管的参数 开启电压开启电压VGS(th) (或或VT) 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。场效应管不能导通。 夹断电压夹断电压VGS(off) (或或VP) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VGS(off) 时时,漏极电流漏极电流为零。为零。 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管, 当当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。34 输入电阻输入电阻RGS 场效应三

17、极管的栅源输入电阻的典型值场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效对于结型场效应三极管，反偏时应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，对于绝缘栅型场效应三对于绝缘栅型场效应三极管极管, RGS约是约是1091015。 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转可以在转 移特性曲线上移特性曲线上求取，单位是求取，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 最大漏极功耗最大漏极功耗P PDMDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型决定

18、，与双极型三极管的三极管的PCM相当。相当。35场效应管的命名规范场效应管的命名规范 场效应三极管的型号场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O代代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是是P型硅，反型硅，反型层是型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。例如沟道。例如, 3DJ6D是结型是结型N沟道沟道场效应三极管，场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三管。沟道场效应三管。 第二种命名方法是第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以代表场效应管，以数字代表型号的序号，数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。用字母代表同一型号中的不同规格。例如例如CS14A、CS45G等。等。36几种常用的场效应管的主要参数见下表。 表2 场效应三极管的参数 参 数型 号PD M m W ID SS m A VRD S VVRG S V VP V gmm A/ V fM M H z3D J2D 100 20 20 -4 2 3003D J7E 100 20 20 -4 3 903D J15H