MOS场效应晶体管.ppt
场场效效应应管管结型场效应三极管结型场效应三极管JFET绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管IGFETJunction type Field Effect TransistorInsulated Gate Field Effect Transistor分类分类N沟道沟道P沟道沟道金金属属氧氧化化物物半半导导体体三三极极管管MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道MOS管结构管结构动画动画23以以N N沟道沟道增强增强型型MOSMOS管管为为例例G栅极（基极）栅极（基极）S源极（发射极）源极（发射极）D漏极（集电极）漏极（集电极）B衬底衬底N沟道增强型沟道增强型MOSFET基本上是基本上是一种左右对称的拓一种左右对称的拓扑结构，它是在扑结构，它是在P型半导体上生成一型半导体上生成一层层SiO2 薄膜绝缘层，薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的散两个高掺杂的N型区，从型区，从N型区引型区引出电极出电极MOS管工作原理管工作原理以以N沟道增强沟道增强型型MOS管为管为例例正常正常放大放大时外时外加偏加偏置电置电压的压的要求要求问题：如果是问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？沟道，直流偏置应如何加？栅源电压栅源电压V VGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用VGSVTN时（时（VTN 称为称为开启电压开启电压)VGSVTN时时(形成形成反型层反型层)(动 画 2-4）当当VGS=0V时时，漏漏源源之之间间相相当当两两个个背背靠靠背背的的二二极极管管，在在D、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流。间形成电流。0VGSVTN时时，SiO2中中产产生生一一垂垂直直于于表表面面的的电电场场，P型型表表面上感应出现许多电子，但电子数量有限面上感应出现许多电子，但电子数量有限,不能形成沟道。不能形成沟道。当当VGSVTN时，由于此时栅压较强，时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将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果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在漏源电压作用下开始在漏源电压作用下开始导电时（即产生导电时（即产生i iD D）的）的栅源电压为开启电压栅源电压为开启电压V VT T 在栅极下方形成的导电沟在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与道中的电子，因与P型半型半导体的多数载流子空穴极导体的多数载流子空穴极性相反，故称为性相反，故称为反型层反型层。漏源电压漏源电压V VDSDS对对i iD D的控制作用的控制作用(动画动画2-52-5)VGSVT后后,外外加加的的VDS较较小小时时，ID将随着将随着VDS的增加而增大。的增加而增大。当当VDS继继续续增增加加时时，由由于于沟沟道道电电阻阻的的存存在在，沟沟道道上上将将产产生生压压降降，使使得得电电位位从从漏漏极极到到源源极极逐逐渐渐减减小小，从从而而使使得得SiOSiO2 2层层上上的的有有效效栅栅压压从从漏漏极极到到源源极极增增大大，反反型型层层中中的的电电子子也也将将从从源源极极到到漏极逐渐减小。漏极逐渐减小。当当VDS大大于于一一定定值值后后，SiOSiO2 2层层上上的的有有效效栅栅压压小小于于形形成成反反型型层层所所需需的的开开启启电电压压，则则靠靠近近漏漏端端的的反反型型层层厚厚度度减减为为零零，出出现现沟沟道道夹夹断断，ID将将不不再再随随VDS的的增增大大而增大，趋于一饱和值。而增大，趋于一饱和值。转移特性曲线转移特性曲线iD=f(vGS)VDS=const输输入入电电压压与与输输出出电电流流间间的的关关系系曲曲线线，对对于共源电路，即：于共源电路，即：调制调制系数系数输出特性曲线输出特性曲线输输出出电电压压与与输输出出电电流流间间的的关关系系曲曲线线，对对于共源电路，即：于共源电路，即：iD=f(vDS)VGS=constN N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管结构示意图结构示意图在栅极下方的在栅极下方的SiO2层层中掺入了大量的金属中掺入了大量的金属正离子。所以当正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经时，这些正离子已经在在P型表面感应出反型型表面感应出反型层，在漏源之间形成层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极漏源电压，就有漏极电流存在。电流存在。转移特性曲线转移特性曲线耗尽型与增强型耗尽型与增强型MOSMOS管的差异管的差异耗尽型：耗尽型：当当VGS0 时，存在导电沟道，时，存在导电沟道，I ID D00 增强型：增强型：当当VGS0 时，没有导电沟道，时，没有导电沟道，I ID D0 0 电电路路符符号号PMOSPMOS场效应管场效应管PMOS管管结结构构和和工工作作原原理理与与NMOS管管类类似似，但但正正常常放放大大时时所所外外加加的的直直流流偏偏置置极极性性与与NMOS管管相反。相反。PMOS管管的的优优点点是是工工艺艺简简单单，制制作作方方便便；缺缺点点是是外外加加直直流流偏偏置置为为负负电电源源，难难与与别别的的管管子子制制作作的电路接口。的电路接口。PMOS管管速速度度较较低低，现现已已很很少少单单独独使使用用，主主要要用于和用于和NMOS管构成管构成CMOS电路。电路。结构结构G栅极（基极）栅极（基极）S源极（发射极）源极（发射极）D漏极（集电极）漏极（集电极）在在N型半导体硅片型半导体硅片的两侧各制造一个的两侧各制造一个PN结，形成两个结，形成两个PN结夹着一个结夹着一个N型型沟道的结构。沟道的结构。P区区即为栅极，即为栅极，N型硅型硅的一端是漏极，另的一端是漏极，另一端是源极。一端是源极。动画动画28工作原理工作原理以以N沟道沟道PN结结结型结型FET为例为例正常正常放大放大时外时外加偏加偏置电置电压的压的要求要求问题：如果是问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？沟道，直流偏置应如何加？V VGSGS0 00，使使形形成成漏漏电电流流i iD D。栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用（动画（动画29）当当VGS=0时时，在在漏漏、源源之之间间加加有有一一定定电电压压时时，在在漏漏源源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当当VGS0时时，PN结结反反偏偏，形形成成耗耗尽尽层层，漏漏源源间间的的沟道将变窄，沟道将变窄，ID将减小。将减小。VGS继继续续减减小小，沟沟道道继继续续变变窄窄，ID继继续续减减小小直直至至为为0。当当漏极电流为零时所对应的栅源电压漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压称为夹断电压VP。漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用当当VGS=0,VDS=0时，漏电流时，漏电流ID=0当当VGS=0,VDS增增大大时时，漏漏电电流流ID也也增增大大。此此时时由由于于存存在在沟沟道道电电阻阻，将将使使沟沟道道内内电电位位分分布布不不均均匀匀，其其中中d端端与与栅栅极极间间的的反反压压最最高高，沿沿着着沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。沟道向下逐渐降低，源端最低，从而使耗尽层成楔形分布。当当V VDSDS继续增大到使继续增大到使V VGSGS-V-VDSDS=V=VP P时，时，d端附端附近的沟道被夹断，这称为近的沟道被夹断，这称为“预夹断预夹断”。出出现现预预夹夹断断后后，当当V VDSDS继继续续增增大大时时，夹夹断断长长度度会会自自上上向向下下延延伸伸，但但从从源源极极到到夹夹断断处处的的沟沟道道上上沟沟道道电电场场基基本本不不随随V VDSDS变化，变化，I ID D基本不随基本不随V VDSDS增加而上升，趋于饱和值。增加而上升，趋于饱和值。特性曲线特性曲线(b)N沟道结型沟道结型FET转移特性曲线转移特性曲线(a)N沟道结型沟道结型FET(b)输出特性曲线输出特性曲线N沟沟道道增增强强型型绝缘栅场效应管P沟沟道道增增强强型型 各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管 各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型结型场效应管 各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线N沟沟道道P沟沟道道场效应管参数场效应管参数开启电压开启电压VGS(th)(或或VT)开开启启电电压压是是MOS增增强强型型管管的的参参数数，栅栅源源电电压压小于开启电压的绝对值小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。夹断电压夹断电压VGS(off)(或或VP)夹夹断断电电压压是是耗耗尽尽型型FET的的参参数数，当当VGS=VGS(off)时时,漏极电流为零。漏极电流为零。场效应管参数场效应管参数 当当VGS=0时，时，VDS|VP|时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。输入电阻输入电阻RGSMOS管管由由于于栅栅极极绝绝缘缘，所所以以其其输输入入电电阻非常大，理想时可认为无穷大。阻非常大，理想时可认为无穷大。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS场效应管参数场效应管参数低频跨导指漏极电流变化量与栅压变化量的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。比值，可以在转移特性曲线上求取。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，决定，与双极型三极管的与双极型三极管的PCM相当。相当。低频跨导低频跨导gm以以MOS管为例管为例BJT与与FET的比较的比较双极型三极管场效应三极管结构结构NPN型，型，PNP型型C与与E不可倒置使用不可倒置使用结型耗尽型：结型耗尽型：N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型：绝缘栅增强型：N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型：绝缘栅耗尽型：N沟道沟道 P沟道沟道D与与S可倒置使用可倒置使用载流载流子子多子、少子均参与多子、少子均参与导电导电多子参与导电多子参与导电输入输入量量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流电流控制电流电压控制电流电压控制电流BJT与与FET的比较的比较双极型三极管场效应三极管噪声噪声较大较大较小较小温度温度特性特性受温度影响较大受温度影响较大受温度影响较小，有零温受温度影响较小，有零温度系数点度系数点输入输入电阻电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电静电影响影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成集成工艺工艺不易大规模集成不易大规模集成适合于大规模和超大规模适合于大规模和超大规模集成集成FET小信号等效电路小信号等效电路输出端端口方程：输出端端口方程：对上式两边求微分：对上式两边求微分：S
