§2.3 MOS场效应晶体管 分类 场效应管 Junction type Field Effect Transistor N沟道

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1 §2.3 MOS场效应晶体管 分类 场效应管 Junction type Field Effect Transistor N沟道
结型场效应三极管JFET P沟道 绝缘栅型场效应三极管IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor

2 MOSFET－ Metal Oxide Semiconductor FET
金属氧化物半导体三极管 增强型 N沟道 P沟道 耗尽型 N沟道 P沟道

3 MOS管结构 G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极） B－衬底 以 N 沟道增强型MOS管 为 例 动画2－3
N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极 以 N 沟道增强型MOS管 为 例 动画2－3

4 以N沟道增强型MOS管为例 MOS管工作原理 正常放大时外加偏置电压的要求 问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？

5 在漏源电压作用下开始导电时（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT
栅源电压VGS对iD的控制作用 (动画2-4） 在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的多数载流子空穴极性相反，故称为反型层。 在漏源电压作用下开始导电时（即产生iD）的栅源电压为开启电压VT VGS<VTN时（ VTN 称为开启电压) VGS＞VTN时(形成反型层) 0＜VGS＜VTN时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 当VGS＞VTN时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。

6 漏源电压VDS对iD的控制作用 (动画2-5)
当VDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从漏极到源极逐渐减小，从而使得SiO2层上的有效栅压从漏极到源极增大，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减小。 当VDS大于一定值后， SiO2层上的有效栅压小于形成反型层所需的开启电压，则靠近漏端的反型层厚度减为零，出现沟道夹断， ID将不再随VDS的增大而增大，趋于一饱和值。 VGS＞VT后,外加的VDS较小时， ID将随着VDS的增加而增大。

7 输入电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即：
转移特性曲线 输入电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即： 调制系数 iD=f(vGS)VDS=const

8 输出特性曲线 输出电压与输出电流间的关系曲线，对于共源电路，即： iD=f(vDS)VGS=const

9 N沟道耗尽型MOS管 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在P型表面感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。 结构示意图 转移特性曲线

10 耗尽型：当VGS＝0 时，存在导电沟道，ID≠0
耗尽型与增强型MOS管的差异 耗尽型：当VGS＝0 时，存在导电沟道，ID≠0 增强型：当VGS＝0 时，没有导电沟道，ID＝0 电路符号

11 PMOS场效应管 PMOS管结构和工作原理与NMOS管类似，但正常放大时所外加的直流偏置极性与NMOS管相反。
PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和NMOS管构成CMOS电路。

12 §2.4 结型场效应晶体管 结构 G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极） 动画2－8
§2.4 结型场效应晶体管 G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极） 结构 在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。 动画2－8

13 工作原理 以N沟道PN结结型FET为例 正常放大时外加偏置电压的要求 VGS<0 ，使栅极PN结反偏，iG=0。
VDS>0，使形成漏电流iD。 问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？

14 栅源电压对沟道的控制作用 （动画2－9） VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。 当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 当VGS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。

15 漏源电压对沟道的控制作用 当VGS=0,VDS增大时，漏电流ID也增大。此时由于存在沟道电阻，将使沟道内电位分布不均匀，其中d端与栅极间的反压最高，沿着沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。 出现预夹断后，当VDS继续增大时，夹断长度会自上向下延伸，但从源极到夹断处的沟道上沟道电场基本不随VDS变化，ID基本不随VDS增加而上升，趋于饱和值。 当VDS继续增大到使VGS-VDS=VP时，d端附近的沟道被夹断，这称为“预夹断”。 当VGS=0,VDS=0时，漏电流ID=0

16 特性曲线 N沟道结型FET 输出特性曲线 (b) N沟道结型FET 转移特性曲线

17 各类场效应三极管的特性曲线 N 沟 道 增 强 型 绝缘栅场效应管 P 沟 道 增 强 型

18 各类场效应三极管的特性曲线 N 沟 道 耗 尽 型 绝缘栅场效应管 P 沟 道 耗 尽 型

19 各类场效应三极管的特性曲线 N 沟 道 结型场效应管 P 沟 道

20 场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT) 夹断电压VGS(off) (或VP)
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 夹断电压VGS(off) (或VP) 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。

21 场效应管参数 饱和漏极电流IDSS 输入电阻RGS 当VGS=0时，VDS>|VP|时所对应的漏极电流。
MOS管由于栅极绝缘，所以其输入电阻非常大，理想时可认为无穷大。

22 场效应管参数 低频跨导gm 最大漏极功耗PDM 低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，可以在转移特性曲线上求取。
以MOS管为例 场效应管参数 低频跨导gm 低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的比值，可以在转移特性曲线上求取。 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。

23 BJT与FET的比较 双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型，PNP型 C与E不可倒置使用 载流子 多子、少子均参与导电 多子参与导电
D与S可倒置使用 载流子 多子、少子均参与导电 多子参与导电 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流 电压控制电流

24 BJT与FET的比较 双极型三极管 场效应三极管 噪声 较大 温度特性 受温度影响较大 受温度影响较小，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 适合于大规模和超大规模集成

25 FET小信号等效电路 输出端端口方程： S 对上式两边求微分：