結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與絕緣型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與原理

1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與絕緣型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管     場(chǎng)效應(yīng)管（Fjeld Effect Transistor簡(jiǎn)稱FET ）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，故因此而得名。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小、制造工藝簡(jiǎn)單和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。   場(chǎng)效應(yīng)管有兩大類，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET，后者性能更為優(yōu)越，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。圖Z0121 為場(chǎng)效應(yīng)管的類型

2、及圖形、符號(hào)。    一、結(jié)構(gòu)與分類    圖 Z0122為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖和它的圖形、符號(hào)。它是在同一塊N型硅片的兩側(cè)分別制作摻雜濃度較高的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個(gè)對(duì)稱的PN結(jié)，將兩個(gè)P區(qū)的引出線連在一起作為一個(gè)電極，稱為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結(jié)過程中，由于P+區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以N一區(qū)側(cè)的空間電荷層寬度遠(yuǎn)大二、工作原理     N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載

3、流子的類型不同而已。下面以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以兩側(cè)PN結(jié)均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過溝道到達(dá)漏極形成漏極電流ID。1 柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（設(shè)UDS0）在圖Z0123所示電路中，UGS 0，兩個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VP時(shí)，兩邊耗盡層合

4、攏，整個(gè)溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時(shí)，漏源之間的電阻趨于無窮大。管子處于截止?fàn)顟B(tài)，ID0。2柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的影響（設(shè)UDS0）當(dāng)UGS0時(shí)，顯然ID0；當(dāng)UDS0且尚小對(duì)，PN結(jié)因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導(dǎo)電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時(shí)，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS成線性規(guī)律變化（如圖Z0124曲線OA段）；若UGS再繼續(xù)增大，耗盡層也隨之增寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，尤其是近漏端更加明

5、顯。由于溝道電阻的增大，ID增長(zhǎng)變慢了（如圖曲線AB段），當(dāng)UGS增大到等于|VP|時(shí)，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。這時(shí)管子并不截止，因?yàn)槁┰磧蓸O間的場(chǎng)強(qiáng)已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點(diǎn)）。當(dāng)UDS|VP|再增加時(shí)，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長(zhǎng)它的接觸部分，形成夾斷區(qū)。由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因?yàn)槲幢粖A斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持

6、不變，管子呈恒流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達(dá)到BUDS時(shí)（BUDS稱為擊穿電壓）進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很大的動(dòng)能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（如曲線CD段）。由此可見，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場(chǎng)效應(yīng)管具有放大作用的基礎(chǔ)。    三、特性曲線    1輸出特性曲線     輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時(shí)，漏極電流ID 隨

7、漏源電壓UDS 變化的一簇關(guān)系曲線，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線有共同的變化規(guī)律。UGS越負(fù)，曲線越向下移動(dòng)）這是因?yàn)閷?duì)于相同的UDS，UGS越負(fù)，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，ID越小。由圖還可看出，輸出特性可分為三個(gè)區(qū)域即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。    可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷以前的區(qū)域。其特點(diǎn)是，當(dāng)0UDS|VP|時(shí)，ID幾乎與UDS呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，UGS愈負(fù)，曲線上升斜率愈小。在此區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管等效為一個(gè)受UGS控制的可變電阻。    恒流區(qū)：圖中兩條虛線之間的部分。其特點(diǎn)是，當(dāng)UDS|VP|時(shí)，ID

8、幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線性關(guān)系，所以該區(qū)域又稱線性放大區(qū)。    擊穿區(qū)：右側(cè)虛線以右之區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)UDSBUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。    2轉(zhuǎn)移特性曲線    當(dāng)UDS一定時(shí)，ID與UGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)UDS|VP|后，即恒流區(qū)內(nèi)，ID 受UDS影響甚小，所以轉(zhuǎn)移特性通常只畫一條。在工程計(jì)算中，與恒流區(qū)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性可以近似地用下式表示： 

9、60;    式GS0127中VPUGS0，IDSS是UGS0時(shí)的漏極飽和電流。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中，柵極和溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，所以輸入電阻很大。但PN結(jié)反偏時(shí)總會(huì)有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。如果在柵極與溝道間用一絕緣層隔開，便制成了絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，其輸入電阻可提高到。根據(jù)絕緣層所用材料之不同，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管有多種類型，目前應(yīng)用最廣泛的一種是以二氧化硅（SiO2）為絕緣層的金屬一氧化物一半導(dǎo)體（Meial-Oxide-Semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。它也有

10、N溝道和P溝道兩類，每類按結(jié)構(gòu)不同又分為增強(qiáng)型和耗盡型。1、 增強(qiáng)型MOS管1結(jié)構(gòu)與符號(hào)   圖Z0125是N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)。它是在一塊P型硅襯底上，擴(kuò)散兩個(gè)高濃度摻雜的N+區(qū)，在兩個(gè)N+區(qū)之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，然后在SiO2和兩個(gè)N型區(qū)表面上分別引出三個(gè)電極，稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號(hào)中，箭頭表示漏極電流的實(shí)際方向。2工作原理     絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理是，利用UGS 控制"感應(yīng)電荷"的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流

11、ID。若UGS0時(shí)，源、漏之間不存在導(dǎo)電溝道的為增強(qiáng)型MOS管，UGS0 時(shí)，漏、源之間存在導(dǎo)電溝道的為耗盡型MOS管。圖Z0125中襯底為P型半導(dǎo)體，在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁，如果在金屬鋁層和半導(dǎo)體之間加電壓UGS，則金屬鋁與半導(dǎo)體之間產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，在這一電場(chǎng)作用下，P型硅表面的多數(shù)載流子-空穴受到排斥，使硅片表面產(chǎn)生一層缺乏載流子的薄層。同時(shí)在電場(chǎng)作用下，P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子-電子被吸引到半導(dǎo)體的表面，并被空穴所俘獲而形成負(fù)離子，組成不可移動(dòng)的空間電荷層（稱耗盡層又叫受主離子層）。UGS愈大，電場(chǎng)排斥硅表面層中的空穴愈多，則耗盡層愈寬

12、，且UGS愈大，電場(chǎng)愈強(qiáng)；當(dāng)UGS 增大到某一柵源電壓值VT（叫臨界電壓或開啟電壓）時(shí)，則電場(chǎng)在排斥半導(dǎo)體表面層的多數(shù)載流子-空穴形成耗盡層之后，就會(huì)吸引少數(shù)載流子-電子，繼而在表面層內(nèi)形成電子的積累，從而使原來為空穴占多數(shù)的P型半導(dǎo)體表面形成了N型薄層。由于與P型襯底的導(dǎo)電類型相反，故稱為反型層。在反型層下才是負(fù)離子組成的耗盡層。這一N型電子層，把原來被PN結(jié)高阻層隔開的源區(qū)和漏區(qū)連接起來，形成導(dǎo)電溝道。 用圖Z0126所示電路來分析柵源電壓UGS控制導(dǎo)電溝道寬窄，改變漏極電流ID 的關(guān)系：當(dāng)UGS0時(shí)，因沒有電場(chǎng)作用，不能形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)雖然漏源間外接有ED電源，但由于漏源間被P型襯底所

13、隔開，漏源之間存在兩個(gè)PN結(jié)，因此只能流過很小的反向電流，ID 0；當(dāng)UGS0并逐漸增加到VT 時(shí)，反型層開始形成，漏源之間被N溝道連成一體。這時(shí)在正的漏源電壓UDS作用下；N溝道內(nèi)的多子（電子）產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，從源極流向漏極，形成漏極電流ID。顯然，UGS愈高，電場(chǎng)愈強(qiáng)，表面感應(yīng)出的電子愈多，N型溝道愈寬溝道電阻愈小，ID愈大。3 輸出特性曲線    N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性曲線如圖Z0127所示，它是UGS為不同定值時(shí)，ID 與UDS之間關(guān)系的一簇曲線。由圖可見，各條曲線變化規(guī)律基本相同?，F(xiàn)以UGS5V一條曲線為例來進(jìn)行分析。設(shè)UGS VT，導(dǎo)電溝

14、道已形成。當(dāng)UDS= 0時(shí)，溝道里沒有電子的定向運(yùn)動(dòng)，ID=0；當(dāng)UDS0且較小時(shí)，溝道基本保持原狀，表現(xiàn)出一定電阻，ID隨UDS線性增大；當(dāng)UDS較大時(shí)，由于電阻沿溝道遞增，使UDS沿溝道的電位從漏端到源端遞降，所以沿溝道的各點(diǎn)上，柵極與溝道間的電位差沿溝道從d至s極遞增，導(dǎo)致垂直于P型硅表面的電場(chǎng)強(qiáng)度從d至s極也遞增，從而形成溝道寬度不均勻，漏端最窄，源端最寬如圖Z0126所示。隨著UDS的增加，漏端溝道變得更窄，電阻相應(yīng)變大，ID上升變慢；當(dāng)UDS繼續(xù)增大到UDS =UGS - VT時(shí)，近漏端的溝道開始消失，漏端一點(diǎn)處被夾斷；如果UDS再增加，將出現(xiàn)夾斷區(qū)。這時(shí)，UDS增加的部分基本上降

15、在夾斷區(qū)上，使夾斷部分的耗盡層變得更厚，而未夾斷的導(dǎo)電溝道不再有多大變化，所以ID將維持剛出現(xiàn)夾斷時(shí)的數(shù)值，趨于飽和，管子呈現(xiàn)恒流特性。    對(duì)于不同的UGS值，溝道深淺也不同，UGS愈大，溝道愈深。在恒流區(qū)，對(duì)于相同的UDS 值，UGS大的ID 也較大，表現(xiàn)為輸出特性曲線上移。    二、耗盡型MOS管     N溝道耗盡型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)基本相同。差別在于耗盡型MOS管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子，故在UGS= 0時(shí)，就在兩個(gè)N十區(qū)之間的P型表面層中感應(yīng)出大量的電子來，形成一定寬度的導(dǎo)電溝道。這時(shí)，只要UDS0就會(huì)產(chǎn)生ID。    對(duì)于N溝道耗盡型MOS管，無論UGS為正或負(fù)，都能控制ID的大小，并且不出現(xiàn)柵流。這是耗盡型MOS管區(qū)別于增強(qiáng)型MOS管的主要特點(diǎn)。    對(duì)于P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，其工作原理，特性曲線和N溝道相類似。僅僅電源極性和電流方向不