场效应晶体管的结构工作原理和输出特性

作成：高能杰扬州虹扬科技发展有限公司2014年8月HYTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.1.半导体材料简介2.场效应管简介3.场效应管分类4.N沟道增强型MOS场效应管工作原理5.N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理6.各种场效应的特性曲线7.场效应管与双极型晶体管比较8.场效应管的各项参数9.场效应管的命名规范目录：本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。半导体材料简介硅和锗的原子结构和共价键结构1两种载流子——自由电子和空穴温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图所示为本征激发所产生的电子空穴对。本征激发产生电子空穴对2杂质半导体在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。3五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的空穴产生，如图所示。N型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷（P）、砷（As）等，则构成N型半导体。4N型半导体的共价键结构N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。5P型半导体在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟（In）等，则构成P型半导体。三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子，半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图所示。P型半导体共价键结构P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。6PN结的形成多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图所示。由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因此又称空间电荷区为耗尽层。7空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。8空间电荷区PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++PN结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。P区N区空间电荷区9少子漂移扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结P区N区载流子的扩散运动＋＋＋＋＋＋＋＋＋多子扩散形成空间电荷区产生内电场促使阻止P区空间电荷区N区PN结及其内电场内电场方向＋＋＋＋＋＋＋＋＋10PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。（1）PN结外加正向电压PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。11（2）PN结外加反向电压PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图所示。P端引出极接电源负极，N端引出极电源正极的接法称为反向偏置；反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流IR一般情况下可忽略不计，此时称PN结处于截止状态。12场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写(FET)）简称场效应管。主要有两种类型:1.（JunctionFET—JFET)结型场效应管；2.金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-OxideSemiconductorFET，简称MOSFET）绝缘栅型场效应管或者MOS场效应管结型场效应管和MOS场效应管都有N沟道和P沟道之分，MOS场效应管还有增强型和耗尽型之分，结型场效应管只有耗尽型，所以场效应管共有六种类型的管子。场效应管由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应晶体管简介13N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图。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。N沟道增强型MOSFET结构示意图绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道14如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成CMOS。1516N沟道增强型MOSFET的结构P型衬底BSiO2N+N+SDG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。DGSBDGSB17N沟道增强型MOSFET的工作原理对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SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子++++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。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。＞0DSU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。18漏源电压UDS的控制作用设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU++++GSU＞GS(th)U空穴正离子电子负离子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。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。DI19N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OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSUN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。constGSDmDSUUIg单位mS（mA/V）N沟道增强型MOSFET的特性曲线202.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。OV2GSUV3V5.3V4DImA/15105DSU/V恒流区.曲线分五个区域：（1）可变电阻区（2）恒流区（放大区）（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21OV2GSUV3V5.3V4DImA/15105DSU/V恒流区.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU22N沟道耗尽型MOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+++++++++04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off)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。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。夹断电压IDSS23MOSFET的分类N型衬底制成的管子，其漏－源区是P型的，称为P沟MOS场效应管；P型材料制成的管子，其漏－源区是N型的，称为N沟MOS场效应管。24MOSFET的四种类型P沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个正的栅压可以使P型沟道消失。P沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个负的栅压才能形成P型沟道。N沟增强型：栅压为零时，沟道不存在，加上一个正的栅压才能形成N型沟道。N沟耗尽型：栅压为零时，沟道已存在，加上一个负的栅压才能使N型沟道消失。252627关于场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增强型MOSFET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MOSFET管。漏、衬底和源不断开表示零栅压