221絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理

1、N溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖 02.13。其中： D(Drain)為漏極，相當(dāng)c；

2、 G(Gate)為柵極，相當(dāng)b； S(Source)為源極，相當(dāng)e。 圖02.13 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖（動(dòng)畫2-3）,2.2.1 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為 增

3、強(qiáng)型 ? N溝道、P溝道 耗盡型 ? N溝道、P溝道,一個(gè)是漏極D，一個(gè)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。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。,,(1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET ①結(jié)構(gòu),根據(jù)圖02.13， N溝道增強(qiáng)型MOSFET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，,當(dāng)柵極加有電壓

4、時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。,,②工作原理 1．柵源電壓VGS的控制作用,當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的 二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。,VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

5、 ID=f(VGS)?VDS=const 這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖02.14。,,進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型

6、半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。 (動(dòng)畫2-4）,隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。,圖02.14 VGS對(duì)漏極電流的控制特性——轉(zhuǎn)移特性曲線,,,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。 gm 的量綱為mA/V，

7、所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下 gm=?ID/?VGS? VDS=const (單位mS),ID=f(VGS)?VDS=const,2．漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用,當(dāng)VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖02.15所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系,,,VDS=VDG＋VGS =－VGD＋

8、VGS VGD=VGS－VDS,,當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGS＞VGS(th)，溝道分布如圖02.15(a)，此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,圖02.15(a) 漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響,(動(dòng)畫2-5),,當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGS＞VGS(th)，溝道分布如圖02.15(a)，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VGS=VGS(th)時(shí)，溝道如圖02.15(b)所

9、示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷。,當(dāng)VDS增加到VGS?VGS(th)時(shí)，溝道如圖02.15(c)所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。,當(dāng)VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)， VDS對(duì)ID的影響，即ID=f(VDS)?VGS=const這一關(guān)系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。,,,圖02.16

10、漏極輸出特性曲線,ID=f(VDS)?VGS=const,(2)N溝道耗盡型MOSFET,當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17(b)所示。,,,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖02.17(a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層

11、中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)在感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線 圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu) 和轉(zhuǎn)移特性曲線,,P溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,P溝道MOSFET的工作

12、原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,,,,,,N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理新改進(jìn)的電子教案,2.3.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管,場(chǎng)效應(yīng)三極管有二種結(jié)構(gòu)形式： 1.絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管 又分增強(qiáng)型和耗盡型二類 2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管----只有耗盡型 場(chǎng)

13、效應(yīng)三極管在集成電路中被廣泛使用，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管(MOSFET)分為增強(qiáng)型和耗盡型兩大類，每類中又有N溝道和P溝道之分。不象雙極型三極管只有NPN和PNP兩類，場(chǎng)效應(yīng)三極管的種類要多一些。但是它們的工作原理基本相同，所以下面以增強(qiáng)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管為例來(lái)加以說明。,2.3.2.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu),取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用B表示。,用氧化工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。,然后用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔。,擴(kuò)散兩個(gè)

14、高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個(gè)PN結(jié)。（綠色部分）,從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)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(qiáng)型MOSFET的符號(hào)如左圖所示。左面的一個(gè)襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個(gè)沒有連接，使用時(shí)需要在外部連接。,動(dòng)畫2-3,2.3.2.2 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理,對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個(gè)方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓UGS對(duì)溝道會(huì)產(chǎn)生影響，二是漏

15、源電壓UDS也會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，從而對(duì)輸出電流，即漏極電流ID產(chǎn)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(huì)將正對(duì)SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。,同時(shí)會(huì)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(dǎo)電溝道。,溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時(shí)若加上UD

16、S ，就會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。,反型層,當(dāng)UGS較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS ，也不能形成ID 。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。,動(dòng)畫2-4,2．漏源電壓UDS的控制作用,設(shè)UGS＞UGS(th)，增加UDS，此時(shí)溝道的變化如下。,顯然漏源電壓會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS后， UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，

17、PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后，在漏源之間會(huì)形成一個(gè)傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。,當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)， ID會(huì)不斷增加,同時(shí)，漏端的耗盡層上移，會(huì)在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷,當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)， 漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí)ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。,動(dòng)畫2-5,2.3.2.3 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條，轉(zhuǎn)移

18、特性曲線和漏極輸出特性曲線。1．轉(zhuǎn)移特性曲線,N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系，可用這個(gè)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。,轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm稱為跨導(dǎo)。這是場(chǎng)效應(yīng)三極管的一個(gè)重要參數(shù)。,,單位mS（mA/V）,2．漏極輸出特性曲線 當(dāng)UGS＞UGS(th)，且固定為某一值時(shí)，反映UDS對(duì)ID的影響，即

19、ID=f(UDS)?UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。,場(chǎng)效應(yīng)三極管作為放大元件使用時(shí)，是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(duì)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(duì)輸出電流的控制作用。,曲線分五個(gè)區(qū)域：,（1）可變電阻區(qū),（2）恒流區(qū)（放大區(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),從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移

20、特性曲線，過程如下：,2.3.2.4 N溝道耗盡型MOSFET,N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。,當(dāng)UGS=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)UGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。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