14.2絕緣柵場效應(yīng)管:絕緣柵型場效應(yīng)管MetalOxideSemiconductor——MOSFET

MOSFET是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為表面場效應(yīng)器件。分為:增強(qiáng)型

N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道增強(qiáng)型：沒有導(dǎo)電溝道，耗盡型：存在導(dǎo)電溝道，2MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。1.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)4.2.1增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。3漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B

電極—金屬M(fèi)etal

絕緣層—氧化物Oxide基體—半導(dǎo)體Semiconductor

因此稱之為MOS管MOSFET42.N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的工作原理柵源電壓VGS的控制作用

當(dāng)VGS=0V時(shí)，因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,

在D、S間也不可能形成電流。當(dāng)0＜VGS＜VT(開啟電壓)時(shí)，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，5把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時(shí)，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流

ID，即管子開啟。

VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS

電壓作用下，ID越大。這樣，就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓VGS對(duì)輸出電流ID的控制。

當(dāng)VGS＞VT時(shí)，襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)的N型溝道。ID6

當(dāng)VGS＞VT且固定為某值的情況下，若給漏源間加正電壓VDS，則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū)，形成漏極電流ID。當(dāng)ID從D

S流過溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。A(2).漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響

源極端電壓最大，為VGS

，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近，則柵—溝間的電壓線性下降，由它們感生的溝道越來越淺；直到漏極端，柵漏間電壓最小，其值為：

VGD=VGS-VDS

,由此感生的溝道也最淺?？梢?，在VDS作用下導(dǎo)電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進(jìn)一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT時(shí)，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。7

當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，VGD＞VT，此時(shí)VDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。

當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處，就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。

當(dāng)VDS增加到使VGD

VT時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開始，ID基本不隨VDS增加而變化。83.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管特性曲線UGS一定時(shí)，ID與UDS的變化曲線，是一族曲線

ID=f(UDS)

UGS=C(1).輸出特性曲線1).可變電阻區(qū)：

ID與UDS的關(guān)系近線性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUDS(V)ID(mA)當(dāng)UGS變化時(shí)，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當(dāng)UGS一定時(shí)，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)92).恒流區(qū)：該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變化。3).擊穿區(qū)：

UDS

增加到某一值時(shí)，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。當(dāng)UDS

增加到某一臨界值時(shí)，ID開始劇增時(shí)UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUDS(V)ID(mA)10

ID=f(VGS)

VDS=常數(shù)UDS一定時(shí)，UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系曲線(2).轉(zhuǎn)移特性曲線在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UT)211

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。其量綱為mA/V，稱gm為跨導(dǎo)。

gm=

ID/

VGS

Q

（mS)(2).轉(zhuǎn)移特性曲線12增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型131.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)4.2.2耗盡型MOS場效應(yīng)管+++++++

耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道

N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。142.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管工作原理當(dāng)UGS=0時(shí)，UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流，用IDSS表示當(dāng)UGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UP表示。UGS(V)ID(mA)UP

耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道。因此，使用時(shí)無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。即：153.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管特性曲線(1)輸出特性曲線UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=--1VUDS(V)ID(mA)N溝道耗盡型MOS管可工作在UGS0或UGS>0N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在UGS>016UGS(V)ID(mA)(2)轉(zhuǎn)移特性曲線常用關(guān)系式：UGS(off)夾斷電壓當(dāng)

uGS

UGS（off）0時(shí),17絕緣柵增強(qiáng)型N溝P溝絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道18N溝道增強(qiáng)型SGDBiDP溝道增強(qiáng)型SGDBiD2–2uGS/ViD/mAUGS(th)uDS/ViD/mA–2V–4V–6V–8VuGS=8V6V4V2VSGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–55uDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5IDSSUGS(off)uDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5VMOSFET符號(hào)、特性的比較19開啟電壓UGS(th)(增強(qiáng)型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時(shí)的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAO4.3場效應(yīng)三極管的參數(shù)20UGS(th)UGS(off)3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時(shí)，柵、源間加

反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO214.低頻跨導(dǎo)gm

反映了uGS對(duì)iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO增強(qiáng)型MOSFET耗盡型MOSFET

或結(jié)型FET22PDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動(dòng)態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDM236.漏源擊穿電壓BUDS使ID開始劇增時(shí)的UDS。7.柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓8.漏極最大允許耗散功率PDm

PDm與ID、UDS有如下關(guān)系:249.極間電容Cgs—柵極與源極間電容Cgd—柵極與漏極間電容Cgb—柵極與襯底間電容

Csd—源極與漏極間電容Csb—源極與襯底間電容Cdb—漏極與襯底間電容主要的極間電容有：254.4場效應(yīng)管的特點(diǎn)(1)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件,即通過UGS來控制ID。

(2)場效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流,所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。

(3)由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的,因此,與雙極性三極管相比,具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。26(4)由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱,有時(shí)漏極和源極可以互換使用,而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響,因此應(yīng)用時(shí)比較方便、靈活。

(5)場效應(yīng)管的制造工藝簡單,有利于大規(guī)模集成。

(6)由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015Ω,因此,由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強(qiáng)度,以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。

(7)場效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小,當(dāng)組成放大電路時(shí),在相同的負(fù)載電阻下,電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。27雙極型三極管與場效應(yīng)三極管的比較

雙極型三極管

場效應(yīng)三極管

結(jié)構(gòu)

NPN型結(jié)型N溝道P溝道

與分類

PNP型