场效应晶体管的结构工作原理课件

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、工作原理场效应晶体管有二种结构形式：4.1MO1

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4.1

N沟道增强型

MOSFET结构示意图（动画）

绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分为

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道

2

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2-31N沟道增强型MOSFET的结构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

显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID

，这说明UGS对ID的控制作用。

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2-42N沟道增强型MOSFET的工作原理对N4

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2-52．漏源电压UDS的控制作用设UGS5

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）3N沟道增强型MOSFET的特性曲线6

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2)漏极输出特性曲线场效应三极管作为7

从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：8

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IDSS4N沟道耗尽型MOSFETN沟道9

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。P沟道增强型MOSFET的结构和

工作原理

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