1、會(huì)計(jì)學(xué)1MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)(jigu)工作原工作原理和輸出特性理和輸出特性第一頁，共31頁。第一類：表面場效應(yīng)管，通常采取絕緣柵的形式，稱為絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET）。若用二氧化硅作為半導(dǎo)體襯底與金屬柵之間的絕緣層，即構(gòu)成“金屬氧化物半導(dǎo)體”（MOS）場效應(yīng)晶體管，它是絕緣柵場效應(yīng)管中最重要的一種；第二類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET），它就是用P-N結(jié)勢壘電場來控制導(dǎo)電能力的一種體內(nèi)場效應(yīng)晶體管；第三類：薄膜場效應(yīng)晶體管（TFT），它的結(jié)構(gòu)與原理和絕緣柵場效應(yīng)晶體管相似，其差別是所用的材料(cilio)及工藝不同，TFT采用真空蒸發(fā)工藝先后將半導(dǎo)體-絕緣體-金屬蒸發(fā)在絕緣

2、襯底上而構(gòu)成。 第1頁/共31頁第二頁，共31頁。（1）輸入阻抗高：雙極型晶體管輸入阻抗約為幾千歐，而場效應(yīng)晶體管的輸入阻抗可以達(dá)到1091015歐；（2）噪聲系數(shù)小：因?yàn)镸OSFET是依靠多數(shù)載流子輸運(yùn)電流的，所以不存在雙極型晶體管中的散粒噪聲和配分噪聲；（3）功耗小：可用于制造高集成密度(md)的半導(dǎo)體集成電路；（4）溫度穩(wěn)定性好：因?yàn)樗嵌嘧悠骷潆妼W(xué)參數(shù)不易隨溫度而變化。（5）抗輻射能力強(qiáng)：雙極型晶體管受輻射后下降，這是由于非平衡少子壽命降低，而場效應(yīng)晶體管的特性與載流子壽命關(guān)系不大，因此抗輻射性能較好。 第2頁/共31頁第三頁，共31頁。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和符

3、號見圖 02.13。其中： D(Drain)為漏極，相當(dāng)(xingdng)c； G(Gate)為柵極，相當(dāng)(xingdng)b； S(Source)為源極，相當(dāng)(xingdng)e。 圖4.1 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖（動(dòng)畫2-3） 絕緣(juyun)柵型場效應(yīng)三極管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為 增強(qiáng)型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道第3頁/共31頁第四頁，共31頁。 如果在同一N型襯底上同時(shí)制造P溝MOS管和N溝MOS管，（N溝MOS管制作(zhzu)在P阱內(nèi)），這就構(gòu)成CMOS 。第4頁/共31頁第五頁，共31頁。第

4、5頁/共31頁第六頁，共31頁。 4.1.1 N溝道(u do)增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)P型襯底BSiO2N+N+SDG 取一塊P型半導(dǎo)體作為(zuwi)襯底，用B表示。 用氧化(ynghu)工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。 然后用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔。 擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個(gè)PN結(jié)。（綠色部分） 從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。 在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的符號如左圖所示。左面的一個(gè)襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個(gè)沒有連接，使用時(shí)需要在外部連接。DGSBDGSB動(dòng)畫2-3第6頁/共31頁第七頁，共31頁。 4.1

5、.2 N溝道(u do)增強(qiáng)型MOSFET的工作原理 對N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個(gè)方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓UGS對溝道會(huì)產(chǎn)生影響，二是漏源電壓UDS也會(huì)對溝道產(chǎn)生影響，從而對輸出(shch)電流，即漏極電流ID產(chǎn)生影響。 1柵源電壓UGS的控制(kngzh)作用SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負(fù)離子+ 先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。 UGS帶給柵極正電荷，會(huì)將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。 同時(shí)會(huì)在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏

6、源之間可形成導(dǎo)電溝道。 溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時(shí)若加上UDS ，就會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。反型層 顯然改變UGS就會(huì)改變溝道，從而影響ID ，這說明UGS對ID的控制作用。0DSU 當(dāng)UGS較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS ，也不能形成ID 。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時(shí)，對應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。動(dòng)畫2-4第7頁/共31頁第八頁，共31頁。 2漏源電壓UDS的控制(kngzh)作用 設(shè)UGSUGS(th)，增加(zngji)UDS，此時(shí)溝道的變化如下。SDGPN+N+SiO2型襯底DSU+GSUGS(th)U空穴正離子電

7、子負(fù)離子 顯然漏源電壓會(huì)對溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS后， UDS將沿漏到源逐漸降落(jinglu)在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后，在漏源之間會(huì)形成一個(gè)傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。 當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)， ID會(huì)不斷增加,同時(shí)，漏端的耗盡層上移，會(huì)在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷 當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)， 漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí)ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。DI動(dòng)畫2-5第8頁/共31頁第九頁，共31頁。 3. N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性(txng)曲線 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特

8、性(txng)曲線有兩條，轉(zhuǎn)移特性(txng)曲線和漏極輸出特性(txng)曲線。1轉(zhuǎn)移特性(txng)曲線OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明(shumng)柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系，可用這個(gè)關(guān)系式來表達(dá)，這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm稱為(chn wi)跨導(dǎo)。這是場效應(yīng)三極管的一個(gè)重要參數(shù)。constGSDmDSUUIg單位mS（mA/V）第9頁/共31頁第十頁，共31頁。 2漏極輸出特性曲線 當(dāng)UGSUGS(th)，且固定

9、(gdng)為某一值時(shí)，反映UDS對ID的影響，即ID=f(UDS)UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。 場效應(yīng)三極管作為放大(fngd)元件使用時(shí)，是工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出UDS對ID的影響很小。但是改變UGS可以明顯改變漏極電流ID，這就意味著輸入電壓對輸出電流的控制作用。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流區(qū).曲線(qxin)分五個(gè)區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)（5）過損耗區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)過損耗區(qū)第10頁/共31頁第十一頁，共31頁。 OV2GSUV3V5 . 3V

10、4DImA/15105DSU/V恒流區(qū).從漏極輸出特性(txng)曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性(txng)曲線，過程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU第11頁/共31頁第十二頁，共31頁。 4.N溝道(u do)耗盡型MOSFETSDGPN+N+SiO2型襯底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些(zhxi)正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。 當(dāng)UGS=0時(shí)，對

11、應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)UGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。UGS0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時(shí)也用UP表示。N溝道耗盡(ho jn)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。夾斷電壓IDSS第12頁/共31頁第十三頁，共31頁。4.1.3 MOSFET的分類(fn li) N型襯底制成的管子，其漏源區(qū)是P型的，稱為(chn wi)P溝MOS場效應(yīng)管； P型材料制成的管子，其漏源區(qū)是N型的，稱為(chn wi)N溝MOS場效應(yīng)管。 第13頁/共31頁第十四頁，共31頁。 MOSFET的四種(s zhn)

12、類型P溝增強(qiáng)型：柵壓為零時(shí)，溝道不存在，加上一個(gè)(y )負(fù)的柵壓才能形成P型溝道。 N溝增強(qiáng)型：柵壓為零時(shí)，溝道不存在，加上一個(gè)正的柵壓才能形成N型溝道。N溝耗盡型：柵壓為零時(shí)，溝道已存在，加上一個(gè)負(fù)的柵壓才能使N型溝道消失。第14頁/共31頁第十五頁，共31頁。第15頁/共31頁第十六頁，共31頁。第16頁/共31頁第十七頁，共31頁。 關(guān)于(guny)場效應(yīng)管符號的說明：DGSBDGSBDGSBSGDN溝道增強(qiáng)型MOSFET管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開，表示(biosh)零柵壓時(shí)溝道不通。表示襯底在內(nèi)部沒有(mi yu)與源極連接。N溝道耗盡型MOSFET管。漏、襯底和源不斷開表示

13、零柵壓時(shí)溝道已經(jīng)連通。 N溝道結(jié)型FET管。沒有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。第17頁/共31頁第十八頁，共31頁。 圖4.6 各類場效應(yīng)晶體管的特性(txng)曲線絕緣(juyun)柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型第18頁/共31頁第十九頁，共31頁。絕緣(juyun)柵場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P 溝道耗盡型第19頁/共31頁第二十頁，共31頁。結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型第20頁/共31頁第二十一頁，共31頁。D與S有的型號(xngho)可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS() 電壓控制電流源VCCS(gm)第21頁/共31

14、頁第二十二頁，共31頁。易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成第22頁/共31頁第二十三頁，共31頁。 夾斷電壓VGS(off) (或VP) 夾斷電壓是耗盡(ho jn)型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時(shí),漏極電流為零。 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。第23頁/共31頁第二十四頁，共31頁。 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制(kngzh)作用，這一點(diǎn)與電子管的控制(kngzh)作用相似。gm可以在轉(zhuǎn) 移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。 最大漏極功耗PDM 最大漏極功耗可由PDM= VDS ID

15、決定(judng)，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。第24頁/共31頁第二十五頁，共31頁。3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三管。 第二種命名方法是CS#，CS代表場效應(yīng)管，以數(shù)字(shz)代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。第25頁/共31頁第二十六頁，共31頁。表2 場效應(yīng)三極管的參數(shù)(cnsh) 參 數(shù)型號PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 第26頁/共31頁第二十七頁，共31頁。2021-11-23第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、 G高頻(o pn)小功率管、A高頻(o pn)大功率管、K開關(guān)管用字母表示(biosh)材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管第27頁/共31頁第二十八頁，共31頁。2021-11-23參 數(shù)型 號 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC