半导体器件-场效应管

半导体器件-场效应管第一页，共23页。概述场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管分类：MOS场效应管结型场效应管退出第二页，共23页。3.1MOS场效应管P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

P沟道（PMOS）

N沟道（NMOS）

MOSFET增强型（EMOS）

耗尽型（DMOS）

N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此导致加在各极上的电压极性相反。退出第三页，共23页。N+N+P+P+PUSGD3.1.1增强型MOS场效应管N沟道EMOSFET结构示意图源极漏极衬底极SiO2绝缘层金属栅极P型硅衬底SGUD电路符号l沟道长度W沟道宽度退出第四页，共23页。MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故称单极型器件。

三极管中多子、少子同时参与导电，故称双极型器件。

利用半导体表面的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变感生电荷的多少，从而改变感生沟道的宽窄，控制漏极电流ID。MOSFET工作原理：退出第五页，共23页。

N沟道EMOS管外部工作条件VDS>0U接电路最低电位或与S极相连VGS>0(形成导电沟道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS

N沟道EMOS管工作原理栅衬之间相当于以SiO2为介质的平板电容器。退出+TVDSIG0VGSID+--第六页，共23页。由于MOS管栅极电流为零，故不讨论输入特性曲线。共源组态特性曲线：ID=f

(VGS)VDS=常数转移特性：ID=f

(VDS)VGS=常数输出特性：

伏安特性+TVDSIG0VGSID+--转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程，它们之间可以相互转换。第七页，共23页。

NEMOS管输出特性曲线非饱和区特点：ID同时受VGS与VDS的控制。当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V当VDS为常数时，VGSID，表现出一种压控电阻的特性。沟道预夹断前对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS<VGS–VGS(th)因此，非饱和区又称为可变电阻区。

退出第八页，共23页。饱和区特点：

ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类似三极管的正向受控作用。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道预夹断后对应的工作区。条件：VGS>VGS(th)V

DS>VGS–VGS(th)考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随VDS的增加略有上翘。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。退出第九页，共23页。截止区特点：相当于MOS管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区条件：VGS<VGS(th)ID=0以下的工作区域。IG≈0，ID≈0

击穿区VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿

ID剧增。VDS沟道l对于l较小的MOS管穿通击穿。退出第十页，共23页。

NEMOS管转移特性曲线VGS(th)=3VVDS

=5V转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作用,可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS

=5VID/mAVGS/V012345转移特性曲线中,ID=0时对应的VGS值,即开启电压VGS（th）。退出第十一页，共23页。

P沟道EMOS管+-

VGSVDS+-SGUDNN+P+SGDUP+N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。即VDS<0、VGS<0外加电压极性相反、电流ID流向相反。不同之处：电路符号中的箭头方向相反。ID退出第十二页，共23页。3.1.2耗尽型MOS场效应管SGUDIDSGUDIDPP+N+SGDUN+N沟道DMOSNN+P+SGDUP+P沟道DMOS

DMOS管结构VGS=0时，导电沟道已存在沟道线是实线退出第十三页，共23页。

NDMOS管伏安特性ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(th)VGS=1V-1.5V-1V-0.5V0V0.5V-1.8VID/mAVGS/V0VGS(th)VDS>0，VGS正、负、零均可。外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的ID表达式与EMOS管相同。PDMOS与NDMOS的差别仅在于电压极性与电流方向相反。退出第十四页，共23页。3.1.3四种MOS场效应管比较

电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)退出第十五页，共23页。3.2结型场效应管

JFET结构示意图及电路符号SGDSGDP+P+NGSDN沟道JFETP沟道JFETN+N+PGSD退出第十六页，共23页。

N沟道JFET管外部工作条件VDS>0(保证栅漏PN结反偏)VGS<0(保证栅源PN结反偏)3.2.1JFET管工作原理P+P+NGSD

+

VGSVDS+-退出第十七页，共23页。利用半导体内的电场效应，通过栅源电压VGS的变化，改变阻挡层的宽窄，从而改变导电沟道的宽窄，控制漏极电流ID。JFET工作原理：综上所述，JFET与MOSFET工作原理相似，它们都是利用电场效应控制电流，不同之处仅在于导电沟道形成的原理不同。退出第十八页，共23页。

NJFET输出特性非饱和区(可变电阻区)特点：ID同时受VGS与VDS的控制。条件：VGS>VGS(off)V

DS<VGS–VGS(off)3.2.2伏安特性曲线线性电阻:ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V退出第十九页，共23页。饱和区(放大区)特点：ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V数学模型：条件：VGS>VGS(off)V

DS>VGS–VGS(off)在饱和区，JFET的ID与VGS之间也满足平方律关系，但由于JFET与MOS管结构不同，故方程不同。退出第二十页，共23页。截止区特点：沟道全夹断的工作区条件：VGS<VGS(off)IG≈0，ID=0

击穿区VDS增大到一定值时近漏极PN结雪崩击穿ID/mAVDS/V0VDS=VGS–VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V造成

ID剧增。VGS越负则VGD越负相应击穿电压V(BR)DS越小退出第二十一页，共23页。

JFET转移特性曲线同MOS管一样，JFET的转移特性也可由输出特性转换得到(略)。I