MOSFET基础知识介绍分析

FET基礎知識及電參數測試介紹场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅型场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。DSGN符号结型场效应管一、结构图1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管图2P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+),导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS二、工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。耗尽层的宽度改变主要在沟道区。二、工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+(a)UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS(off），耗尽层合拢，导电沟道被夹断，夹断电压UGS(off)为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS0VGGID=0GDSP+P+(c)UGS=UPVGG2.在漏源极间加正向VDD，使UDS0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0,UDG，ID较大。GS(off)UGDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS0，UDG,ID较小。GS(off)UGDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,预夹断UGS≤UGS(th),UDG|UGS(off)|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)常数DS)(GSDUUfIOUGSIDIDSSUGS(off)圖5转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UGS(off)，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖4特性曲线测试电路+mA1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUGS(off)图6转移特性2.漏极特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：常数GS)(DSDUUfI)0()1(GS)(2)(GSDSSD时当UUUUIIoffGSoffGS≤≤IDSS/V)(GSDSoffGSUUUID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8)(offGSU预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2.漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图7特性曲线测试电路+mA图8漏极特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA00.511.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=00.4V0.8V1.2V1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图9在漏极特性上用作图法求转移特性绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图10N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图2.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD图11(2)UDS=0，0UGSUGS(th)P型衬底N+N+BGSDP型衬底中的电子被吸引靠近SiO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。VGG(3)UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。(4)UDS对导电沟道的影响(UGSUGS(th))导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UGS(th)，UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDSUGS–UGS(th)，UGDUGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。a.UDSUGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDSUGS(th)P型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图12UDS对导电沟道的影响(a)UGDUGS(th)(b)UGD=UGS(th)(c)UGDUGS(th)3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VO)(GSthGSUU预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区UGSUGS(th)，ID=0；UGS≥UGS(th)，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID逐渐增大。2)(GSDOD)1(thGSUUII(当UGSUGS(th)时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UGS(th)2UGS(th)IDOUGS/VID/mAO图13图14二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS0，产生较大的漏极电流；UGS0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”，ID0。UGS(off)称为夹断电压图15N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS0；UGS正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUGS(off)(a)转移特性IDSS图1.4.15MOS管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=03V1V2V43215101520图16特性曲线场效应管的主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UGS(off)/开启电压UGS(th)3.直流输入电阻RGS输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。常数DSGSDmΔΔUUIg单位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。种类符号转移特性漏极特性结型N沟道耗尽型结型P沟道耗尽型绝缘栅型N沟道增强型SGDSGD+++oSGDBUGSIDOUT表1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0VUDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO__o_+_o+