2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 Semiconductor FET)。分为 增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道

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1 2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 Semiconductor FET)。分为 增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道
绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型  N沟道、P沟道 耗尽型  N沟道、P沟道 N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 02.13。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02.13 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）

2 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。P型半导体称为 衬底，用符号B表示。
2019/1/16 (1)N沟道增强型MOSFET ①结构 根据图02.13， 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， 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。P型半导体称为 衬底，用符号B表示。

3 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。
②工作原理 1．栅源电压VGS的控制作用 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。 当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和 衬底间的电容作用，将靠近栅极 下方的P型半导体中的空穴向下 方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，不足以形 成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。

4 进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)
时的栅极电压已经比较强，在靠近 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。在栅 极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。 (动画2-4） 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管。 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。

5 图02.14 VGS对漏极电流的控制特性——转移特性曲线
ID=f(VGS)VDS=const 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS)

6 2．漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影 响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDG＋VGS =－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS 当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 图02.15(a) 漏源电压VDS对沟道的影响 (动画2-5)

7 当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(th)，沟道分布
如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道 呈斜线分布。 当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图02.15(b)所 示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的 情况，称为预夹断。 当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本 降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响， 即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这 一曲线称为漏极输出特性曲线。

8 ID=f(VDS)VGS=const 图02.16 漏极输出特性曲线

9 (2)N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图
02.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘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。 当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时， 随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对 应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示， 有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特 性曲线如图02.17(b)所示。

10 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线

11 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。

12 N沟道增强型MOSFET的结构和工作原理 新改进的电子教案

13 2.3.2 绝缘栅场效应三极管 1.绝缘栅型场效应三极管 又分增强型和耗尽型二类 2.结型场效应三极管----只有耗尽型
绝缘栅场效应三极管 场效应三极管有二种结构形式： 1.绝缘栅型场效应三极管 又分增强型和耗尽型二类 2.结型场效应三极管----只有耗尽型 场效应三极管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应三极管(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。不象双极型三极管只有NPN和PNP两类，场效应三极管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相同，所以下面以增强型N沟道场效应三极管为例来加以说明。

14 2.3.2.1 N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2-3

15 2.3.2.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理 1．栅源电压UGS的控制作用 动画2-4
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。 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。 反型层 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。 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。 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。 动画2-4

16 2．漏源电压UDS的控制作用 动画2-5 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。 预夹断 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。 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2-5

17 2.3.2.3 N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）

18 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： 过损耗区 可变电阻区 （1）可变电阻区 击穿区 （2）恒流区（放大区） （3）截止区 （4）击穿区 （5）过损耗区 截止区

19 从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：

20 N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。 IDSS 夹断电压 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。

21 如果是P沟道，箭头则向外。 关于场效应管符号的说明： N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。
表示衬底在内部没有与源极连接。 N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。 N沟道结型MOS管。没有绝缘层。 如果是P沟道，箭头则向外。