结型场效应管与绝缘型场效应管的结构与原理

1、结型场效应管与绝缘型场效应管的结构与原理结型场效应管场效应管(Fjeld Effect Transistor简称FET )是利用电场效应来控制半导 体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只 依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比， 它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简 单和便于集成化等优点。厝厝N沟道 NHDS崩强型舞尽型，蠲嫁械型 IGFET (M0S崩强型舞尽型PUOS蜻型,.TFETN蜻型,.TFETe;TTd*沟重注毗3金邑-华牡物-半耳体翊婀管棚粮，海槌制槌H村定Z0121结型场效应曾场效应

2、管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121为场效应管的类型及图形、符号。一、结构与分类挠尽居船拮构军面示惹圈监非N 酒 15pit始型版效苴骨第星场虱应管括型场效旌管的将号图戏122 N辑通的型场数阿管图Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在 同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两 个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g）， 在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成PN 结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N

3、一区侧的空间电荷层宽度远大U3=n -5 = 0Uci U3=n -5 = 0Uci Vp血*:=。-Lg.VpUl5 VP不同-昭F沟i首队况的登化glZ0123沟道状态的斐化N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性 和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。 电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏 置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电 子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。1 .栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS = 0 ）在图Z0123所示电路中，UGS

4、 0且尚小对，PN结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿海道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端J LLPN结上的反向偏压大于近源端，因而近端耗尽层宽度大于近源端。显然，在J LLUDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化（如图Z0124曲线OA段）；若UGS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤 其是近漏端更加明显。由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了（如图曲线AB段），当UGS增大到等于2刊时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状 态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极

5、间的场强已足够大，完全可以 把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS （这种情况如曲线B点）。当UDS |VP|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿海道加长它的接触部分,形成夹断区。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比VP|大的那部分电压 基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂 移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变， 于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线BC段）。但是，如果再增加UDS达到BUDS时（BUDS称为击穿电压）进入夹断区的 电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的

6、原子碰撞发生链 锁反虬产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象（如曲线CD 段）。由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这 种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。三.特性曲线蜻型崎殿廊管*出特忤结型瑞皴周哉精出特性盘盐9 = 口Z0124输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时，漏极电流ID随漏源电压 UDS变化的一簇关系曲线，如图Z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的 变化规律。UGS越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的UDS，UGS越负， 耗尽层越宽，导电沟道越窄，ID越小。由图还可看出，输出特性可分为三个区 域

7、即可变电阻区、恒流区和击穿区。可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0 UDS |VP|时，ID几乎 不随UDS变化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，两者变量之间 近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内UDS BUDS，管子被击穿，ID 随UDS的增加而急剧增加。转移特性曲线当UDS 一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明， 当U DS |VP|后，即恒流区内，ID受UDS影响甚小，所以转移特性通常只画 条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：GS0127式GS0127中VPUGS0 , ID

8、SS是UGS = 0时的漏极饱和电流。绝缘栅型场效应管J LL在结型场效应管中，栅极和沟道间的PN结是反向偏的，所以输入电阻很大 但PN结反偏时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。J LL如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开，便制成了绝缘栅型场效应管，其输入电阻 可提高到。根据绝缘层所用材料之不同，绝缘栅场效应管有多种类型，目前应用 最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2 ）为绝缘层的金属一氧化物一半导体（Meial-Oxide-Semiconductor ）场效应管，简称 MOS 场效应管（MOSFET ）o它也有N沟道和P沟道两类，每类按结构不同又分为增强型和耗尽型。一,增强型

9、MOS管1.结构与符号 e b衬庄N构道培强型明S管结构与符号图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它是在一块P型 硅衬底上，扩散两个高浓度掺杂的N +区，在两个N +区之间的硅表面上制作一 层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在SiO2和两个N型区表面上分别引 出三个电极，称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中，箭头表示漏极电 流的实际方向。2.工作原理绝缘栅场效应管的导电机理是，利用UGS控制”感应电荷”的多少来改变导 电沟道的宽窄，从而控制漏极电流ID。若UGS = 0时，源、漏之间不存在导电 沟道的为增强型MOS管，UGS = 0时，漏、源之间存在导电沟道的为耗

10、尽型 MOS管。图Z0125中衬底为P型半导体，在它的上面是一层SiO2薄膜、在 SiO2薄膜上盖一层金属铝，如果在金属铝层和半导体之间加电压UGS，则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场，在这一电场作用下，P型硅 表面的多数载流子-空穴受到排斥，使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。同 时在电场作用下，P型半导体中的少数载流子-电子被吸弓I到半导体的表面，并 被空穴所俘获而形成负离子，组成不可移动的空间电荷层（称耗尽层又叫受主离 子层）。UGS愈大，电场排斥硅表面层中的空穴愈多，则耗尽层愈宽，且UGS 愈大，电场愈强；当UGS增大到某一栅源电压值VT （叫临界电压或开启电压） 时，

11、则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后，就会吸引 少数载流子-电子，继而在表面层内形成电子的积累，从而使原来为空穴占多数 的P型半导体表面形成了 N型薄层。由于与P型衬底的导电类型相反，故称为 反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一N型电子层，把原来被PN 结高阻层隔开的源区和漏区连接起来，形成导电沟道。DmW上网DmW上网Met 0并逐渐增加到VT时， 反型层开始形成，漏源之间被N沟道连成一体。这时在正的漏源电压UDS作用 下；N沟道内的多子（电子）产生漂移运动，从源极流向漏极，形成漏极电流ID。 显然，UGS愈高，电场愈强，表面感应出的电子愈多，N型沟道愈宽沟道电

12、阻 愈小，ID愈大。输出特性曲线可变电阳区增强型NI站管输出特性（漏极特性）园EDI97漏根特性N沟道增强型MOS管输出特性曲线如图Z0127所示，它是UGS为不同定 值时，ID与UDS之间关系的一簇曲线。由图可见，各条曲线变化规律基本相 同。现以UGS = 5V 一条曲线为例来进行分析。设UGS VT ,导电沟道已形成。 当UDS= 0时，沟道里没有电子的定向运动，ID=0 ;当UDS0且较小时，沟 道基本保持原状，表现出一定电阻，ID随UDS线性增大；当UDS较大时，由 于电阻沿沟道递增，使UDS沿沟道的电位从漏端到源端递降，所以沿沟道的各 点上，栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增，

13、导致垂直于P型硅表面 的电场强度从d至s极也递增，从而形成沟道宽度不均匀，漏端最窄，源端最宽 如图Z0126所示。随着UDS的增加，漏端沟道变得更窄，电阻相应变大，ID 上升变慢；当UDS继续增大到UDS =UGS - VT时，近漏端的沟道开始消失， 漏端一点处被夹断；如果UDS再增加，将出现夹断区。这时，UDS增加的部分 基本上降在夹断区上，使夹断部分的耗尽层变得更厚，而未夹断的导电沟道不再 有多大变化，所以ID将维持刚出现夹断时的数值，趋于饱和，管子呈现恒流特 性。对于不同的UGS值，沟道深浅也不同，UGS愈大，沟道愈深。在恒流区，对 于相同的UDS值，UGS大的ID也较大，表现为输出特性曲线上移。二耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。差别在 于耗尽型MOS管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子，故在UGS= 0时，就在 两个N十区之间的P型表面层中感应出大量的电子来，形成一定宽度的导电沟 道。这时，只要UDS 0就会产生ID。对于N沟道耗尽型MOS管，无论UGS为正或负，都能控制ID的大小，并 且不出现栅流。这是耗尽型MOS管区别于增强型MOS管的主要特点。对于P沟道场效应管，其工作原理，特性曲线和N沟道相类似。仅仅电源极 性和电流方向不同而已结型场效应管和绝缘栅型场效应管的区别1 ）结型场效应管通常只