mos場效應(yīng)晶體管

1、2.3 2.3 MOSMOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管場場效效應(yīng)應(yīng)管管結(jié)型場效應(yīng)三極管結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET絕緣柵型場效應(yīng)三極管絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFETJunction type Field Effect TransistorInsulated Gate Field Effect Transistor分類分類N溝道溝道P溝道溝道金金屬屬氧氧化化物物半半導(dǎo)導(dǎo)體體三三極極管管MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道MOS管結(jié)構(gòu)管結(jié)構(gòu)動(dòng)畫動(dòng)畫23以以N N溝道溝道增強(qiáng)增強(qiáng)型型MOSMOS管管為為例例

2、G柵極（基極）柵極（基極）S源極（發(fā)射極）源極（發(fā)射極）D漏極（集電極）漏極（集電極）B襯底襯底N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是基本上是一種左右對稱的拓一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在撲結(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一型半導(dǎo)體上生成一層層SiO2 薄膜絕緣層薄膜絕緣層，然后用光刻工藝，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從型區(qū)，從N型區(qū)引型區(qū)引出電極出電極MOS管工作原理管工作原理以以N溝道增強(qiáng)溝道增強(qiáng)型型MOS管為管為例例0GSV0DSV正常正常放大放大時(shí)外時(shí)外加偏加偏置電置電壓的壓的要求要求0GSV0DSV問題：如果是問題：如果是P溝道，直流偏置應(yīng)如何加？溝道，直流

3、偏置應(yīng)如何加？柵源電壓柵源電壓V VGSGS對對i iD D的控制作用的控制作用VGSVTN時(shí)（時(shí)（ VTN 稱為稱為開啟電壓開啟電壓)VGSVTN時(shí)時(shí)(形成形成反型層反型層)(動(dòng)畫2-4）當(dāng)當(dāng)VGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在在D、S之間加上電壓不會在之間加上電壓不會在D、S間形成電流。間形成電流。0VGSVTN時(shí)，時(shí)，SiO2中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，P型表型表面上感應(yīng)出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限面上感應(yīng)出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限,不能形成溝道。不能形成溝道。當(dāng)當(dāng)VGSVTN時(shí)，由于此時(shí)柵壓較強(qiáng)，時(shí)，由于此時(shí)柵

4、壓較強(qiáng)，P型半導(dǎo)體表層中將型半導(dǎo)體表層中將聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在漏源電壓作用下開在漏源電壓作用下開始導(dǎo)電時(shí)（即產(chǎn)生始導(dǎo)電時(shí)（即產(chǎn)生i iD D）的柵源電壓為開啟電的柵源電壓為開啟電壓壓V VT T 在柵極下方形成的導(dǎo)電溝在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與道中的電子，因與P型半型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴極導(dǎo)體的多數(shù)載流子空穴極性相反，故稱為性相反，故稱為反型層反型層。漏源電壓漏源電壓V VDSDS對對i iD D的控制作用的控制作用(

5、 (動(dòng)畫動(dòng)畫2-52-5) )VGSVT后后,外加的外加的VDS較小時(shí)，較小時(shí)， ID將隨著將隨著VDS的增加而增大。的增加而增大。當(dāng)當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，繼續(xù)增加時(shí)，由于溝道由于溝道電阻的存在，溝道上將產(chǎn)生壓電阻的存在，溝道上將產(chǎn)生壓降，使得電位從漏極到源極逐降，使得電位從漏極到源極逐漸減小，從而使得漸減小，從而使得SiOSiO2 2層上的層上的有效柵壓從漏極到源極增大，有效柵壓從漏極到源極增大，反型層中的電子也將從源極到反型層中的電子也將從源極到漏極逐漸減小。漏極逐漸減小。 當(dāng)當(dāng)VDS大于一定值后，大于一定值后， SiOSiO2 2層上層上的有效柵壓小于形成反型層所的有效柵壓小于形成反型層所

6、需的開啟電壓，則靠近漏端的需的開啟電壓，則靠近漏端的反型層厚度減為零，出現(xiàn)溝道反型層厚度減為零，出現(xiàn)溝道夾斷，夾斷， ID將不再隨將不再隨VDS的增大的增大而增大，趨于一飽和值。而增大，趨于一飽和值。 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(vGS) VDS=const輸入電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對輸入電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對于共源電路，即：于共源電路，即：2()DnGSTNiKvV調(diào)制調(diào)制系數(shù)系數(shù)輸出特性曲線輸出特性曲線輸出電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對輸出電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線，對于共源電路，即：于共源電路，即：iD=f(vDS) VGS=const-GDGSDSTvvvVN N溝

7、道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖在柵極下方的在柵極下方的SiO2層層中摻入了大量的金屬中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)時(shí)，這些正離子已經(jīng)在在P型表面感應(yīng)出反型型表面感應(yīng)出反型層，在漏源之間形成層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極漏源電壓，就有漏極電流存在。電流存在。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線耗盡型與增強(qiáng)型耗盡型與增強(qiáng)型MOSMOS管的差異管的差異耗盡型：耗盡型：當(dāng)當(dāng)VGS0 時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，I ID D00 增強(qiáng)型：增強(qiáng)型：當(dāng)當(dāng)VGS0 時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，I

8、ID D0 0 電電路路符符號號PMOSPMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管PMOS管結(jié)構(gòu)和工作原理與管結(jié)構(gòu)和工作原理與NMOS管類似，但管類似，但正常放大時(shí)所外加的直流偏置極性與正常放大時(shí)所外加的直流偏置極性與NMOS管管相反。相反。PMOS管的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，制作方便；缺點(diǎn)管的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，制作方便；缺點(diǎn)是外加直流偏置為負(fù)電源，難與別的管子制作是外加直流偏置為負(fù)電源，難與別的管子制作的電路接口。的電路接口。PMOS管速度較低，現(xiàn)已很少單獨(dú)使用，主要管速度較低，現(xiàn)已很少單獨(dú)使用，主要用于和用于和NMOS管構(gòu)成管構(gòu)成CMOS電路。電路。2.4 2.4 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)G柵極（基極

9、）柵極（基極）S源極（發(fā)射極）源極（發(fā)射極）D漏極（集電極）漏極（集電極）在在N型半導(dǎo)體硅片型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)結(jié)夾著一個(gè)N型型溝道的結(jié)構(gòu)。溝道的結(jié)構(gòu)。P區(qū)區(qū)即為柵極，即為柵極，N型硅型硅的一端是漏極，另的一端是漏極，另一端是源極。一端是源極。動(dòng)畫動(dòng)畫28工作原理工作原理以以N溝道溝道PN結(jié)結(jié)型結(jié)結(jié)型FET為為例例正常正常放大放大時(shí)外時(shí)外加偏加偏置電置電壓的壓的要求要求問題：如果是問題：如果是P溝道，直流偏置應(yīng)如何加？溝道，直流偏置應(yīng)如何加？0DSVV VGSGS0 00，使形成漏，使形成漏電流電流i iD D。0GSV柵源電壓

10、對溝道的控制作用柵源電壓對溝道的控制作用（動(dòng)畫（動(dòng)畫29）當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，在漏、源之間加有一定電壓時(shí)，在漏源時(shí)，在漏、源之間加有一定電壓時(shí)，在漏源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生漏極電流。間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)當(dāng)VGS0時(shí)，時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，溝道將變窄，ID將減小。將減小。VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對應(yīng)的柵源電壓漏極電流為零時(shí)所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓稱為夾斷電壓VP。漏源電壓對溝道的控制作用漏源電壓對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)VGS=

11、0,VDS=0時(shí)，漏電流時(shí)，漏電流ID=0當(dāng)當(dāng)VGS=0,VDS增大時(shí)，漏電流增大時(shí)，漏電流ID也增大。也增大。此時(shí)由于存在溝道電阻，此時(shí)由于存在溝道電阻，將使溝道內(nèi)電位分布不均勻，其中將使溝道內(nèi)電位分布不均勻，其中d端與柵極間的反壓最高，沿著端與柵極間的反壓最高，沿著溝道向下逐漸降低，源端最低，從而使耗盡層成楔形分布。溝道向下逐漸降低，源端最低，從而使耗盡層成楔形分布。 當(dāng)當(dāng)V VDSDS繼續(xù)增大到使繼續(xù)增大到使V VGSGS-V-VDSDS=V=VP P時(shí)，時(shí)，d端端附近的溝道被夾斷，這稱為附近的溝道被夾斷，這稱為“預(yù)夾預(yù)夾斷斷”。 出現(xiàn)預(yù)夾斷后，當(dāng)出現(xiàn)預(yù)夾斷后，當(dāng)V VDSDS繼續(xù)增大時(shí)

12、，夾斷長度會自上向繼續(xù)增大時(shí)，夾斷長度會自上向下延伸，但從源極到夾斷處的溝道上溝道電場基本不下延伸，但從源極到夾斷處的溝道上溝道電場基本不隨隨V VDSDS變化，變化，I ID D基本不隨基本不隨V VDSDS增加而上升，趨于飽和值。增加而上升，趨于飽和值。特性曲線特性曲線 (b) N溝道結(jié)型溝道結(jié)型FET轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型溝道結(jié)型FET輸出特性曲線輸出特性曲線2(1)GSDDSSPviIV-GDGSDSPvvvVN溝溝道道增增強(qiáng)強(qiáng)型型絕緣柵場效應(yīng)管P溝溝道道增增強(qiáng)強(qiáng)型型 各類場效應(yīng)三極管的特性曲線各類場效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管 各類場效應(yīng)三極管的特性曲線各類場效應(yīng)三

13、極管的特性曲線N溝溝道道耗耗盡盡型型P溝溝道道耗耗盡盡型型結(jié)型場效應(yīng)管 各類場效應(yīng)三極管的特性曲線各類場效應(yīng)三極管的特性曲線N溝溝道道P溝溝道道場效應(yīng)管參數(shù)場效應(yīng)管參數(shù)開啟電壓開啟電壓VGS(th) (或或VT)開啟電壓是開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。夾斷電壓夾斷電壓VGS(off) (或或VP)夾斷電壓是耗盡型夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)?shù)膮?shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時(shí)時(shí),漏極電流為零。漏極電流為零。場效應(yīng)管參數(shù)場效應(yīng)管參數(shù) 當(dāng)當(dāng)VGS=0時(shí)，時(shí)，VDS|VP|時(shí)所對應(yīng)

14、的漏極時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。電流。輸入電阻輸入電阻RGSMOS管由于柵極絕緣，所以其輸入電管由于柵極絕緣，所以其輸入電阻非常大，理想時(shí)可認(rèn)為無窮大。阻非常大，理想時(shí)可認(rèn)為無窮大。飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS場效應(yīng)管參數(shù)場效應(yīng)管參數(shù)低頻跨導(dǎo)指漏極電流變化量與柵壓變化量的低頻跨導(dǎo)指漏極電流變化量與柵壓變化量的比值，可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取。比值，可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取。最大漏極功耗最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，決定，與雙極型三極管的與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。相當(dāng)。低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gmDSDmVGSigv2nGSTNKVV2()DnGSTNiKv

15、V以以MOS管為例管為例BJT與與FET的比較的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NPN型，型，PNP型型C與與E不可倒置使用不可倒置使用結(jié)型耗盡型：結(jié)型耗盡型： N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵增強(qiáng)型：絕緣柵增強(qiáng)型： N溝道溝道 P溝道溝道絕緣柵耗盡型：絕緣柵耗盡型： N溝道溝道 P溝道溝道D與與S可倒置使用可倒置使用載流載流子子多子、少子均參與多子、少子均參與導(dǎo)電導(dǎo)電多子參與導(dǎo)電多子參與導(dǎo)電輸入輸入量量電流輸入電流輸入電壓輸入電壓輸入控制控制電流控制電流電流控制電流電壓控制電流電壓控制電流BJT與與FET的比較的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管噪聲噪聲較大較大較小較小溫度溫度特性特性受溫度影響較大受溫度影響較大受溫度影響較小，有零溫受溫