模拟143 场效应管(改).ppt

1、1,第六节 场效应管,英文缩写：FET 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型： 第一类：结型场效应管（JFET） 第二类：绝缘栅型场效应管（IGFET） 又称：金属一氧化物一半导体型（MOSFET）; 简称 MOS型场效应管。,2,其中MOS场效管具有制造工艺简单，占用芯片面积小，器件的特性便于控制等特点。因此MOS管是当前制造超大规模集成电路的主要有源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电路技术。,3,一、MOS场效应管,MOS管又分为 增强型（EMOS）两种 耗尽型（DMOS） 每一种又有 N沟道型 P沟道型 所以一共有四种： N沟道增强型（NEMO

2、S） P沟道增强型（PEMOS） N沟道耗尽型（NDMOS） P沟道耗尽型（PDMOS）,4,现在以N沟道增强型为例讨论MOS管的工作原理：,1、结构：NEMOS管以P型硅片为衬底。 再在衬底上扩散两个N+区（高掺杂），分别为源区和漏区。则源区和漏区分别与P型衬底形成两个PN+结。 在P型衬底表面生长着一薄层的二氧化硅（SiO2）的绝缘层，并在两个N+区之间的绝缘层上覆盖一层金属，然后在上面引出电极为栅极（G）； 源区和漏区引出的电极分别为源极（S）和漏极（D） 而从衬底通过P+引线引出的电极称为衬底极（U）。,5,N沟道增强型MOSFET,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成

3、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。,1.结构,6,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

4、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,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。,2.工作原理,7,(2)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：,显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接

5、，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。,8,3.伏安特性曲线,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。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

6、。 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）,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,9,(2)漏极输出特性曲线,场效应管作为放大元件使用时，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（非饱和区）,（2）恒流区（放大区、饱和区）,（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,当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，反映

7、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。,10,从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：,11,如下图所示：,12,2、电路符号：如前面图片所示 3、工作原理： 在栅极电压VGS作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。然后在漏极电压VDS作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。 因此，改变栅极电压VGS即可控制导电沟道的导电能力，使漏极电流ID发生变化，从而起到正向控制作用。,13,（1）导电沟道形成原理：,在通常情况下，源极（S）一般都与衬底极（U）相连，即VUS=0；而正常工作时，源区和漏区的两个N+区与衬

8、底之间的PN结必须加反偏电压，因此，漏极对源极的电压VDS必须为正值。 即正常工作时 ： VGS 0,VDS 0，且VDS VGS 先设VDS= VGS= 0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。,14,15, 加上VGS0，产生自SiO2P型衬底的电场E，电场E将两个N+区的多子电子和P型衬底中的少子电子吸向衬底的表面与多子空穴复合而消失，同时又排斥衬底中的空穴向P的底层。 这样在衬底表面的薄层中形成以负离子为主的空间电荷区，并与两个PN结的空间电荷区相通。 此时，由于电荷平衡原理，空间电荷区的纯负电荷量等于金属栅上的正电荷量。可见，当VGS= 0或较小的正值时，源区和漏区之间均被空间电荷

9、区隔断。,16,VDS = VGS = 0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。 UDS = 0，0 UGS UGS（TH）时，形成空间电荷区,17,18, 增大VGS，使两个N+区和衬底中的电子进一步被吸引到衬底表面的薄层中，并进一步排斥该薄层中的空穴，直到其间自由电子浓度大于空穴浓度，则薄层的导电类型就由原来的P型转变为N型，且与两个N+区相通，因此我们称这时的薄层为反型层。而由P型转变而来的。 当外加VDS0时，源区中多子电子将沿这个反型层漂移到漏区D，形成自漏极D流向源极S的漏极电流ID。 因此，通常将反型层称为源区和漏区之间的导电沟道。这个沟道由电子形成，故称为N沟道。,19,20

10、,可以看出，VGS反型层中的自由电子浓度，沟道导电能力，则在VDS 作用下的 ID。 形成反型层后，根据电荷平衡原理，反型层中的电子电荷量和空间电荷区中的负离子电荷量之和等于金属栅上的正电荷量。 现将刚开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压，用 VGS(th) 表示，VGS(th) 的大小决定于MOS管的工艺参数。 当VGS VGS(th) 时，沟道形成，ID随VGS增大而增大。,21,（2）VDS对沟道导电能力的控制,当NEMOS管在形成沟道后，在正值电压VDS作用下，源区的多子电子沿着沟道行进行到漏区，形成漏极电流ID。 由于ID通过沟道形成自漏极到到源极方向的电位差。因此加在“平板电

11、容器”上的电压将沿着沟道而变化: 近源极端的电压最大，其值为VGS，相应的沟道最深； 离开源极端，越向漏极端靠近，电压就越小，沟道也就越浅；直到漏极端，电压最小，其值为： VGD = VGS - VDS， 相应的沟道最浅。 因此，在VDS作用下，导电沟道的深度是不均匀的，呈锥状变化，如下图：,22,23,24,（3）沟道长度调制效应,但在实际上，预夹断后，继续增大VDS，夹断点A会略向源极S方向移动，导致A点到S极之间的沟道长度略有减小，相应的沟道电阻就略有减小，从而有更多电子漂移到A点，造成ID略有增大，如上图中虚线所示，这种效应我们称为场效应管的沟道长度调制效应。 （显然，这种效应与三极管

12、中的基区宽度调制效应类似）一般情况下，由VDS引起的ID的增大是很小的，可以忽略。,25,26,（4）结论,通过对EMOS管的工作原理的阐述，我们可以看到，MOS管是依靠多子电子的一种载流子进行导电的，所以是单极型器件，而晶体三极管是依靠电子和空穴两种载流子导电的，所以是双极型器件。,27,4、伏安特性,（以共源极MOS电路为例）,共源极放大电路原理电路,28,4、伏安特性,（以共源极MOS电路为例） 在MOS管中，输入栅极电流是平板电容器的泄漏电流，其值近似为零，因此MOS管的伏安特性我们只讨论输出特性： ID = f(VDS)|Vgs=常数 如右图示为N沟道的EMOS管的输出特性，分为四个

13、区： 饱和区、饱和区、截止区、击穿区。,29,非饱和区,饱和区,截止区 亚阀区,30,31,晶体管与场效应管的对比,32,二、P沟道EMOS场效应管,结构： 在N型衬底中，扩散两个P+区，分别作为漏区和源区，并在两个P+区之间的SiO2绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了P沟道EMOS管。 工作原理： 为保证PN结反偏，且在绝缘层下形成反型层，衬底必须接在电路的最高电阻上，且VGS和VDS必须为负值。 在VDS作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流ID。 电路符号：,33,34,三、耗尽型MOS场效应管（DMOS）,（1）结构： DMOS与EMOS管在结构上类似，唯一差别为： 衬底表面扩散了一薄层与衬底导电类型相反的掺杂区，作为漏、源区之间的导电沟道，如下图： （2）相对应的电路符号：,35,36,四、四种MOS场效应管的比较,表3-1-1,37,38,五、结型场效应管（JFET）,分为N沟道和P沟道： 电路符号：,3