1、1,第六節(jié) 場效應管,英文縮寫：FET 場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件，從制做工藝的結法上分為兩大類型： 第一類：結型場效應管（JFET） 第二類：絕緣柵型場效應管（IGFET） 又稱：金屬一氧化物一半導體型（MOSFET）; 簡稱 MOS型場效應管。,2,其中MOS場效管具有制造工藝簡單，占用芯片面積小，器件的特性便于控制等特點。因此MOS管是當前制造超大規(guī)模集成電路的主要有源器件，并且已開發(fā)出許多有發(fā)展前景的新電路技術。,3,一、MOS場效應管,MOS管又分為 增強型（EMOS）兩種 耗盡型（DMOS） 每一種又有 N溝道型 P溝道型 所以一共有四種： N溝道增強型（NEMO

2、S） P溝道增強型（PEMOS） N溝道耗盡型（NDMOS） P溝道耗盡型（PDMOS）,4,現(xiàn)在以N溝道增強型為例討論MOS管的工作原理：,1、結構：NEMOS管以P型硅片為襯底。 再在襯底上擴散兩個N+區(qū)（高摻雜），分別為源區(qū)和漏區(qū)。則源區(qū)和漏區(qū)分別與P型襯底形成兩個PN+結。 在P型襯底表面生長著一薄層的二氧化硅（SiO2）的絕緣層，并在兩個N+區(qū)之間的絕緣層上覆蓋一層金屬，然后在上面引出電極為柵極（G）； 源區(qū)和漏區(qū)引出的電極分別為源極（S）和漏極（D） 而從襯底通過P+引線引出的電極稱為襯底極（U）。,5,N溝道增強型MOSFET,取一塊P型半導體作為襯底，用B表示。,用氧化工藝生成

3、一層SiO2 薄膜絕緣層。,然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。,擴散兩個高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個PN結。（綠色部分）,從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。,在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。,N溝道增強型MOSFET的符號如左圖所示。左面的一個襯底在內部與源極相連，右面的一個沒有連接，使用時需要在外部連接。,1.結構,6,分兩個方面進行討論，一是柵源電壓UGS對溝道會產生影響，二是漏源電壓UDS也會對溝道產生影響，從而對輸出電流產生影響。,(1)柵源電壓UGS的控制作用,先令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。,UGS帶給柵極正電荷，會將正對SiO2層

4、的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。,同時會在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏源之間可形成導電溝道。,溝道中的電子和P型襯底的多子導電性質相反，稱為反型層。此時若加上UDS，就會有漏極電流ID產生。,反型層,當UGS較小時，不能形成有 效的溝道，盡管加有UDS ，也不 能形成ID 。當增加UGS，使ID剛 剛出現(xiàn)時，對應的UGS稱為開啟 電壓，用UGS(th)或UT表示。,2.工作原理,7,(2)漏源電壓UDS的控制作用,設UGSUGS(th)，增加UDS，此時溝道的變化如下：,顯然漏源電壓會對溝道產生影響，因為源極和襯底相連接

5、，所以加入UDS后， UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內，漏極和襯底之間反偏最大，PN結的寬度最大。所以加入UDS后，在漏源之間會形成一個傾斜的PN結區(qū)，從而影響溝道的導電性。,當UDS進一步增加時， ID會不斷增加,同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預夾斷。,預夾斷,當UDS進一步增加時， 漏端的耗盡層向源極伸展，此時ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。,8,3.伏安特性曲線,N溝道增強型MOSFET的轉移特性曲線如左圖所示，它是說明柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制關系。這條特性曲線稱為轉移特性曲線。,轉移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用

6、。 gm稱為跨導。這是場效應三極管的一個重要參數(shù)。,單位mS（mA/V）,N溝道增強型MOSFET的轉移特性曲線有兩條，轉移特 性曲線和漏極輸出特性曲線。,(1)轉移特性曲線,9,(2)漏極輸出特性曲線,場效應管作為放大元件使用時，工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出UDS對ID的影響很小。但是改變UGS可以明顯改變漏極電流ID，這就意味著輸入電壓對輸出電流的控制作用。,曲線分五個區(qū)域：,（1）可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）,（2）恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）,（3）截止區(qū),（4）擊穿區(qū),（5）過損耗區(qū),可變電阻區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),過損耗區(qū),當UGSUGS(th)，且固定為某一值時，反映

7、UDS對ID的影響，即 ID=f(UDS)UGS=const這一關系曲線稱為漏極輸出特性曲線。,10,從漏極輸出特性曲線可以得到轉移特性曲線，過程如下：,11,如下圖所示：,12,2、電路符號：如前面圖片所示 3、工作原理： 在柵極電壓VGS作用下，漏區(qū)和源區(qū)之間形成導電溝道。然后在漏極電壓VDS作用下，源區(qū)電子沿導電溝道行進到漏區(qū)，產生自漏極流向源極的電流。 因此，改變柵極電壓VGS即可控制導電溝道的導電能力，使漏極電流ID發(fā)生變化，從而起到正向控制作用。,13,（1）導電溝道形成原理：,在通常情況下，源極（S）一般都與襯底極（U）相連，即VUS=0；而正常工作時，源區(qū)和漏區(qū)的兩個N+區(qū)與襯

8、底之間的PN結必須加反偏電壓，因此，漏極對源極的電壓VDS必須為正值。 即正常工作時 ： VGS 0,VDS 0，且VDS VGS 先設VDS= VGS= 0，兩個N+區(qū)各自被空間電荷區(qū)包圍而隔斷。,14,15, 加上VGS0，產生自SiO2P型襯底的電場E，電場E將兩個N+區(qū)的多子電子和P型襯底中的少子電子吸向襯底的表面與多子空穴復合而消失，同時又排斥襯底中的空穴向P的底層。 這樣在襯底表面的薄層中形成以負離子為主的空間電荷區(qū)，并與兩個PN結的空間電荷區(qū)相通。 此時，由于電荷平衡原理，空間電荷區(qū)的純負電荷量等于金屬柵上的正電荷量?？梢姡擵GS= 0或較小的正值時，源區(qū)和漏區(qū)之間均被空間電荷

9、區(qū)隔斷。,16,VDS = VGS = 0，兩個N+區(qū)各自被空間電荷區(qū)包圍而隔斷。 UDS = 0，0 UGS UGS（TH）時，形成空間電荷區(qū),17,18, 增大VGS，使兩個N+區(qū)和襯底中的電子進一步被吸引到襯底表面的薄層中，并進一步排斥該薄層中的空穴，直到其間自由電子濃度大于空穴濃度，則薄層的導電類型就由原來的P型轉變?yōu)镹型，且與兩個N+區(qū)相通，因此我們稱這時的薄層為反型層。而由P型轉變而來的。 當外加VDS0時，源區(qū)中多子電子將沿這個反型層漂移到漏區(qū)D，形成自漏極D流向源極S的漏極電流ID。 因此，通常將反型層稱為源區(qū)和漏區(qū)之間的導電溝道。這個溝道由電子形成，故稱為N溝道。,19,20

10、,可以看出，VGS反型層中的自由電子濃度，溝道導電能力，則在VDS 作用下的 ID。 形成反型層后，根據(jù)電荷平衡原理，反型層中的電子電荷量和空間電荷區(qū)中的負離子電荷量之和等于金屬柵上的正電荷量。 現(xiàn)將剛開始形成反型層所需的VGS 值稱為開啟電壓，用 VGS(th) 表示，VGS(th) 的大小決定于MOS管的工藝參數(shù)。 當VGS VGS(th) 時，溝道形成，ID隨VGS增大而增大。,21,（2）VDS對溝道導電能力的控制,當NEMOS管在形成溝道后，在正值電壓VDS作用下，源區(qū)的多子電子沿著溝道行進行到漏區(qū)，形成漏極電流ID。 由于ID通過溝道形成自漏極到到源極方向的電位差。因此加在“平板電

11、容器”上的電壓將沿著溝道而變化: 近源極端的電壓最大，其值為VGS，相應的溝道最深； 離開源極端，越向漏極端靠近，電壓就越小，溝道也就越淺；直到漏極端，電壓最小，其值為： VGD = VGS - VDS， 相應的溝道最淺。 因此，在VDS作用下，導電溝道的深度是不均勻的，呈錐狀變化，如下圖：,22,23,24,（3）溝道長度調制效應,但在實際上，預夾斷后，繼續(xù)增大VDS，夾斷點A會略向源極S方向移動，導致A點到S極之間的溝道長度略有減小，相應的溝道電阻就略有減小，從而有更多電子漂移到A點，造成ID略有增大，如上圖中虛線所示，這種效應我們稱為場效應管的溝道長度調制效應。 （顯然，這種效應與三極管

12、中的基區(qū)寬度調制效應類似）一般情況下，由VDS引起的ID的增大是很小的，可以忽略。,25,26,（4）結論,通過對EMOS管的工作原理的闡述，我們可以看到，MOS管是依靠多子電子的一種載流子進行導電的，所以是單極型器件，而晶體三極管是依靠電子和空穴兩種載流子導電的，所以是雙極型器件。,27,4、伏安特性,（以共源極MOS電路為例）,共源極放大電路原理電路,28,4、伏安特性,（以共源極MOS電路為例） 在MOS管中，輸入柵極電流是平板電容器的泄漏電流，其值近似為零，因此MOS管的伏安特性我們只討論輸出特性： ID = f(VDS)|Vgs=常數(shù) 如右圖示為N溝道的EMOS管的輸出特性，分為四個

13、區(qū)： 飽和區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)。,29,非飽和區(qū),飽和區(qū),截止區(qū) 亞閥區(qū),30,31,晶體管與場效應管的對比,32,二、P溝道EMOS場效應管,結構： 在N型襯底中，擴散兩個P+區(qū)，分別作為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個P+區(qū)之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構成了P溝道EMOS管。 工作原理： 為保證PN結反偏，且在絕緣層下形成反型層，襯底必須接在電路的最高電阻上，且VGS和VDS必須為負值。 在VDS作用下，形成自源區(qū)流向漏區(qū)的空穴電流ID。 電路符號：,33,34,三、耗盡型MOS場效應管（DMOS）,（1）結構： DMOS與EMOS管在結構上類似，唯一差別為： 襯底表面擴散了一薄層與襯底導電類型相反的摻雜區(qū)，作為漏、源區(qū)之間的導電溝道，如下圖： （2）相對應的電路符號：,35,36,四、四種MOS場效應管的比較,表3-1-1,37,38,五、結型場效應管（JFET）,分為N溝道和P溝道： 電路符號：,3