2.5場效應管絕緣柵（MOS）場效應管結型場效應管場效應管的主要參數極特點一二三一MOS場效應極管場效應管：是僅由一種載流子參與導電的半導體器件，是以輸入電壓控制輸出電流的的半導體器件。1.根據載流子來劃分：N溝道器件：電子作為載流子的。P溝道器件：空穴作為載流子的。2.根據結構來劃分：

結型場效應管JFET：

絕緣柵型場效應管MOSFET：1.場效應管具有什么功能？2.場效應管都有哪些類型？區(qū)別是什么？3.與雙及性三極管的區(qū)別？1

增強型MOSFET結構D為漏極，相當C；

G為柵極，相當B；

S為源極，相當E。（一）N溝道增強型MOS場效應管的工作原理絕緣柵型場效應管MOSFET分為：

增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道N溝道增強型MOSFET結構圖柵壓為零時有溝道柵壓為零時無溝道P型硅作襯底濃度較低引出電極B在P型襯底上生成SiO2薄膜絕緣層引出電極G極用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極：S極和D極MOSFET=Metal-Oxide-semiconductorFieldEffectTransistor(動畫2-3)由于BS短接，G與襯底B間產生電場，GB相當兩個平板，電子被正極板吸引，空穴被排斥，出現一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子——電子，將向表層運動，但數量有限，不足以形成溝道，所以仍不能形成漏極電流ID。1）柵源電壓UGS的控制作用漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。即:ID=02工作原理(1).當UGS=0V時:(2).0＜UGS＜UT時:(3).當UGS=UT:(UT稱為開啟電壓)1.在UGS=0V時ID=0;2.只有當UGS＞UT后才會出現漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。（電壓控制器件）出現反型層，與N形成一體構成導電溝道;當UDS＞0時:D溝道

S之間形成漏極電流。(4).當UGS＞UT:(UT稱為開啟電壓)隨著UGS的繼續(xù)增加，溝道加厚，溝道電阻，ID將不斷（動畫2-4）（續(xù)）工作原理結論UGS固定，且UDS很小時：UDS與漏極電流ID之間呈線性關系。漏源電壓UDS對溝道影響1）輸出特性曲線（1）可變電阻區(qū)UGS＞UT:反映了漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID

K2(UGS-UT)UDS上式得:UGS一定時溝道導通電阻：Ron=

dUDS/

dID|

UGS=constRon=

L

/

nCOXW(UGS-UT)3特性曲線溝道電子表面遷移率K為導電因子單位面積柵氧化層電容結論：UGS恒定時Ron近似為常數。Ron隨UGS而變化，故又稱可變電阻區(qū)。

由于UDS的存在，導電溝道不均勻，當UDS=

UGS-UT時:此時漏極端的導電溝道將開始消失（稱預夾斷）(2)恒流區(qū)：UGS一定時：ID隨UDS基本不變，ID恒定稱恒流區(qū)。當UDS>UGS-UT時:隨UDS夾斷點向移動，耗盡層的電阻很高（高于溝道電阻）所以新增UDS幾乎全部降在耗盡層兩端，ID不隨UDS而變。(3)擊穿區(qū)：當UDS增加到一臨界值時，ID（急?。┘碊與襯底之間擊穿。當UGS＞UT，且固定為某一值時:

UDS對ID的影響的關系曲線稱為漏極輸出特性曲線。漏極輸出特性曲線在輸出特性曲線上：當UDS固定為某一值時:

UGS對ID的影響的關系曲線稱為轉移特性曲線。轉移特性曲線轉移特性曲線3特性曲線UGS對ID的控制關系可用如下曲線描述，稱為轉移特性曲線ID=f(UGS)UDS=const2）轉移特性曲線如圖所示：(1).UGS<UT時：溝道未形成，

ID=0管子截止狀態(tài)(2).UGSUT時：溝道形成，

ID>0隨UGS溝道加厚

ID

UDS正向減小，曲線右移。在恒流區(qū)轉移特性曲線中ID

與UGS的關系為：ID=K(UGS-UT)2

;式中K為導電因子ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L短溝道并考慮UDS的影響時：ID=K(UGS-UT)2(1+

UDS)溝道電子表面遷移率單位面積柵氧化層電容溝道長度調制系數UGS＜0時：

隨著UGS反向增加，ID逐漸減小。直至ID=0。對應ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UP

表示。

N溝道耗盡型MOSFET的結構如圖所示：(二)N溝道耗盡型MOSFET

UGS=0時；

正離子已感應出反型層，在漏源之間形成了溝道。只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。（飽和電流Idss）(a)結構示意圖在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。當UGS＞0時；溝道變寬將使ID進一步增加。N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線N溝道耗盡型的輸出特性曲線在恒流區(qū)仍滿足：ID

K(UGS-UT)2ID

K(UGS-UT)2（1+UDS）對耗盡型MOS管還可表示為：

ID

IDSS(1-UGS/

Up)2飽和漏極電流的值為：IDSS

(μnCOXW/2L

)Up2IDSSN溝道耗盡型MOSFET轉移特性曲線N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線:如圖所示：P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同。區(qū)別是導電的載流子不同，供電電壓極性不同。同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。(三)P溝道耗盡型MOSFET場效應管的特性曲線類型比較多：根據導電溝道不同，以及增強型還是耗盡型，可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設定。有關曲線繪于下圖之中。2.伏安特性曲線各類絕緣柵場效應三極管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型三結型場效應三極管JFET的結構與MOSFET相似，工作機理也相似。如圖:在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾一個N型溝道的結構。P區(qū)即為柵極;N型硅的一端是漏極;另一端是源極。結型場效應三極管的結構(動畫2-8）（一）結型場效應三極管的結構:柵極漏極源極UGSDSGUDSID柵源電壓對溝道的控制作用1.當UGS=0時:溝道較寬，在UDS作用下，產生的ID較大。

2.當UGS＜0時（即負壓）時:隨UGS增加，溝道變窄，ID減小。

（二）結型場效應三極管的工作原理耗盡層N溝道耗盡層3.若UGS再增加，增至UGS=Up時，耗盡層在源極附近相遇，稱為全加斷。此時ID=0。當UDS增加到UDS=UP（夾斷電壓）耗盡層在漏極附近相遇，稱為預夾斷（動畫2-9）漏源電壓對溝道的控制作用漏源電壓對溝道的控制作用（動畫2-9）

(三)結型場效應三極管的特性曲線它與耗盡型MOSFET的特性曲線基本相同，只不過MOSFET的柵壓可正可負，而結型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。JFET的特性曲線有兩條：轉移特性曲線：輸出特性：(a)漏極輸出特性曲線（動畫2-6）(b)轉移特性曲線（動畫2-7）結型場效應三極管的特性曲線JFET的特性曲線：

(三)結型場效應的特性曲線與NMOSFET的轉移特性曲線很相似；區(qū)別在于NMOSFET的柵壓可正可負，而NJFET的柵壓只能為負電壓。?1.NJFET轉移特性曲線(如圖)_同理PJFET的柵壓只能為正電壓。UDS=常數結型場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型開啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于開啟電的絕對值，場效應管不能導通(即IG=0)。夾斷電壓是耗盡型FET的參數，當漏極電流為零時,UGS=UP耗盡型場效應三極管當UGS=0時所對應的漏極電流。四場效應三極管的參數①開啟電壓

UGS,th

(UT)②夾斷電壓UGS,off(UP)③飽和漏極電流IDSS（一）場效應管的主要參數1）直流參數

④場效應管柵源輸入電阻RGS：

柵源間加固定電壓UGS柵極電流IGS之比，輸入電阻的典型值:結型場效應管，反偏時RGS約大于108～1012Ω，絕緣柵場效應管RGS約是1010～1015Ω。漏源、柵源擊穿電壓UDS,B、

BUGS,B(極限參數)①低頻跨導gm

低頻跨導反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mA/V或mS(毫西門子)。2）場效應管的微變參數(1).圖解法求解：在曲線工作點上作切線，其斜率為gm(2).解析法求解：增強型MOSFET:gm=1/Ron耗盡型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up②襯底跨導gmb③漏極電阻rdS

：可在輸出特性曲線工作點上作切線，其斜率的倒數④動態(tài)漏極電阻rds：極間電容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流區(qū)（即可變電阻區(qū)）：3）極限參數:包括UGS,B、UDS,B、PDM、

Csd、

Csb、

Cdb。（二）場效應管的特點是單極型電壓控制器件；溫度穩(wěn)定性好。是輸入電阻極高，一般可達108以上，因而可組成多級放大器的輸入級，同時在作中間級放大器時，不需考慮對前級的負載作用。噪聲低結構對稱性、極間的互換性。構成可變電阻。工藝簡單、功耗小。適于集成。2.6集成化元器件及其特點一集成電路工藝簡介

以制造NPN管的工藝流程為例

氧化光刻隱埋層擴散外延和氧化隔離擴散選擇隔離槽P型硅片1.平面工藝2電路元件制造工藝基區(qū)擴散發(fā)射區(qū)擴散蒸鋁NPN選擇基區(qū)選擇發(fā)射區(qū)選擇電極引線窗口選擇要去除的鋁層集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式二、集成化元器件1.NPN晶體管

在P型硅片襯底上擴散N＋隱埋層，生長N型外延層，擴散P型基區(qū)，N＋型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)隔離島隱埋層擴散P型基區(qū)2.PNP晶體管

從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運動1)縱向PNP管優(yōu)點：制造方便基區(qū)較NPN寬特征頻率高輸出電流大缺點由于隔離的需要，C極必須接電路電源最低電位常作射極跟隨器。

(2)橫向PNP管發(fā)射極和集電極橫向排列，載流子沿斷面水平運動。優(yōu)點：

因為由輕摻雜的P型擴散區(qū)和N型外延區(qū)構成，e結和c結反向擊穿電壓高缺點：

由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大1－2個數量級，很小，特征頻率低。3.二極管晶體管制作時，只要開路或短路某一PN結即得（如圖）:常用的兩種形式4.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好（2）擴散電阻，按結構分：基區(qū)電阻:50～100K

＝±20%發(fā)射區(qū)電阻:1～1000（電阻率低）窄基區(qū)電阻:電阻率高10～1000K＝±20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差?。ㄐ∮?％）5.電容利用SiO2保護層作絕緣介質，用金屬板和半導體作電容極板。電容量與氧化物厚度成反比，與極板面積成正比，單位面積電容量不大，但漏電較小、擊穿電壓較高。MOS電容：三集成化元器件特點4.集成電路中寄生參量的存在會引起元件間的寄生耦合，影響電路穩(wěn)定，使電路產生寄生振蕩。1.集成電路工藝不能制作電感，超過100pF的大電容因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用阻容耦合，而采用直接耦合。2.集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電阻，盡量用晶體管代替電阻、電容。3.單個元件的精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對稱性好，故大量采用差放電路及增益取決于電阻比值的負反饋放大器。隨著空間技術、光通信技術和計算機技術的發(fā)展，半導體光電器件得到飛速發(fā)展。光電器件按其功能可分成兩大類：1．發(fā)光器件它的功能是把電能轉換為光能。發(fā)光二極管是最常用的發(fā)光器件，當發(fā)光二極管兩端加上電流或電壓時，可高效的發(fā)出可見光、紅外光或不可見光。2．光敏器件它的功能是把光能轉換為電能。其中包括根據光電導效應工作的光電二極管，根據光生伏特效應工作的光電池（也稱太陽能電池），依據光電子發(fā)射效應工作的光電倍增器、攝像管等。2.7半導體管光電器件1．半導體發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能轉換成光能的特殊半導體器件，它具有一個PN結。當給PN結兩端加正向偏壓時，在正向電流激發(fā)下，管子就會發(fā)出可見光或不可見光，稱電致發(fā)光。目前市場上有發(fā)紅光、黃光、綠光、藍光、紫光和紅外光的各種發(fā)光二極管。除此以外還有變色發(fā)光二極管等。一、半導體發(fā)光器件1）工作原理半導體發(fā)光二極管的工作機理是光的自發(fā)發(fā)射。當注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴散過程中復合發(fā)光。發(fā)光二極管的p—I曲線。結論：發(fā)光二極管不是閾值器件，它的輸出功率基本上與注入電流成正比。1）半導體激光器的工作機理和任何類型的激光器一樣，在半導體激光器中產生激光，需要具備以下三個基本條件：（1）具有合適的能級分布的激光物質；（2）外界提供的激勵源能夠在有源區(qū)中產生足夠的粒子數反轉分布；（3）存在光學諧振腔，在有源區(qū)中能夠建立起穩(wěn)定的振蕩。2．半導體激光器（LD）原理：首先使輸出光的方向得到選擇，使不能被反射鏡面截獲的、方向雜亂的光逸出腔外而損耗掉，能在諧振腔內建立起穩(wěn)定振蕩的光基本上是與反射鏡面垂直方向的光。條件：要使光在諧振腔內建立起穩(wěn)定的振蕩，必須滿足一定的相位條件和振幅條件，相位條件使發(fā)射光譜得到選擇，振幅條件使激光器成為一個閾值器件。半導體光電探測器是將光信號轉換成電信號的功能器件。適用范圍：在一切光信號處理的系統(tǒng)中都起著至關重要的作用；（包括光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)等）半導體光電探測器的構成決定了它的所有性能指標，如伏安特性、響應時間、暗電流、噪聲等效功率等。二、半導體光電探測器1.半導體光電探測器的基本原理

圖2—86光電二極管工作機理：是光電導效應；工作條件：光電二極管的PN結在反向偏置電壓下工作。原理：光入射到本征半導體材料后，受共價鍵束縛的電子吸收光能量后掙脫共價鍵束縛而成為自由電子，并在原來的位置上留下空穴。光激發(fā)的電子—空穴對在外加電場的作用下產生定向運動，形成電流；結論：電流是在光激發(fā)下產生的，所以稱為光生電流。入射光越強，光生電流越大。原理：1）光電響應特性光電流的大小與入射光功率Pin成正比:半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物體。具有如下特性：溫敏性、光敏性和摻雜特性。以上特性對半導體的導電能力有較大影響，利用這些性能可制作成具有各種特性的半導體器件。

PN結是構成半導體器件的基本單元，具有單向導電性、非線性電阻特性、電容效應、擊穿穩(wěn)壓特性。當PN結加正向電壓時，PN結導通，呈現低阻特性。當PN結加反向電壓時，PN結截止，呈現高阻特性。小結晶體二極管實際