第6章場效應管

1、第6章 場效應管OUTLINE 金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET) MOSFET的構造 MOSFET的工作原理 開啟電壓VT，可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的形成 V-I特性曲線及大信號特性方程 輸出特性及大信號特性方程 轉移特性 MOSFET的主要參數(shù) MOSFET的放大電路金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET) 場效應管(FET: Field Effect Transistor) 金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor FET) 結型場效應管(JFET: Junction FET) FET是一種利用電場效應來控制其電流大小的半導

2、體器件，主要應用于開關電路和放大電路 體積小，重量輕，耗電少，壽命長，輸入阻抗高，噪音低，制造工藝簡單等優(yōu)點 在VLSI電路和大容量的可編程器件或存儲器的制造中通常使用MOSFETFET與BJT的不同 FET與BJT的導電機制不同 BJT是自由電子和空穴兩種極性的載流子參與導電的三端放大器件 FET只有一種載流子電子或空穴導電參與導電的三端放大器件，故FET稱為單極型器件 FET與BJT的控制類型不同 BJT是電流控制電流型器件 FET是電壓控制電流型器件 真空管屬于電壓控制電流型器件為什么沒有直接從真空管發(fā)展到FET？微電子電路的制造工藝決定的MOSFET的分類 根據(jù)溝道（channel）極

3、性的不同 N（電子型）溝道MOSFET（NMOS） P（空穴型）溝道MOSFET（PMOS） 按照導電溝道形成機理不同 增強型（E型）NMOS (Enhancement-mode N-channel MOS) 耗盡型（D型）NMOS (Depletion-mode N-channel MOS) E型PMOS D型PMOSMOSFET的工作原理的核心多晶硅多晶硅(Polycrystalline Silicon)(Polycrystalline Silicon)氧化物氧化物(Oxide)(Oxide)P P型半導體型半導體(P-type Semiconductor)(P-type Semicond

4、uctor)柵極（gate）B襯底引線+-平板電容器（MOS電容）絕緣層介電質SiOSiO2 2SiSi-多晶硅多晶硅+-SiOSiO2 2SiSigB-耗盡層(depletion layer)反型層(inversion layer)反型層是由柵源正電壓感應產(chǎn)生的，所以也稱為感應溝道N溝道增強型MOSFET的結構源極源極(Source) 柵極柵極(Gate) 漏極漏極(Drain)B襯底引線襯底引線 利用擴散法在P型硅中形成兩個高摻雜的N+區(qū)摻雜濃度低，電阻率較高的P型半導體薄片三個電極g，s和d，分別類似于BJT的b，e和c源極源極(Source) 柵極柵極(Gate) 漏極漏極(Drain

5、)B襯底引線襯底引線 由于柵極與源極，漏極均無電接觸，故稱為絕緣柵極溝道長度L(channel length)溝道寬度W(channel width)氧化物的厚度tox增強型MOSFET的符號n 垂直短劃線代表溝道n 表明在未加適當柵壓之前d與s之間無導電溝道n 箭頭方向表示由P指向Nn 通常P襯底接低電位，N襯底接高電位n 當源極的電位很高或很低時，為了減輕源襯間電壓對管子導電性能的影響，可將源極和襯底連載一起N溝道耗盡型MOSFET源極源極(Source) 柵極柵極(Gate) 漏極漏極(Drain)B襯底引線襯底引線 +管子在制造時，二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子vGS=0時，正離子的

6、作用能在源和漏區(qū)的中間P襯底上感應出較多的負電荷（電子），形成N型溝道耗盡型MOSFET的符號N溝道P溝道n d與s之間實線連接n 表明d與s之間存在導電溝道n 箭頭方向表示由P（襯底）指向N（溝道）E型NMOS的工作原理當柵源短接時，源區(qū)（N+型），襯底（P型）和漏區(qū)（N+型）形成兩個背靠背的PN結，無論vDS的極性如何，其中總有一個PN結是反偏，且d和s間的電阻阻值很大，可高達1012數(shù)量級vGS = 0iD = 0d和s之間沒有形成導電溝道VTH：把在漏源電壓作用下開始導電時的柵源電壓vGS叫做開啟電壓iD = 0iD迅速增大iD = 0iD 飽和夾斷點反型層 在理想狀況下，出現(xiàn)夾斷后，

7、由源極出發(fā)的載流子經(jīng)由溝道到達夾斷點時，會被注入漏極周圍的空間電荷區(qū)（也稱為夾斷區(qū)）再被電場掃入漏極 此時兩個電壓降，一個為空間電荷區(qū)的電壓降，vDS增加的電壓主要降落在這個空間電荷區(qū)，另一個電壓降落在導電溝道上，此電壓（=vGS-VTH）保持不變，因而vDS上升，iD趨于飽和Q:為什么溝道夾斷后耗盡區(qū)仍有電流流過，形成飽和電流iD？預夾斷的臨界條件：vDS=vGS-VTH可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的分界點預夾斷點輸出特性及大信號特性方程iD/mAvDS/V MOSFET的輸出特性是指在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關系，即N溝道增強型MOS管的輸出特性預夾斷軌跡截止區(qū)

8、（vGS0，由于絕緣層存在不會產(chǎn)生iG，在溝道中感應出更多的負電荷，使溝道變寬。在vDS的作用下，iD將具有更大的值； vGS0，則溝道感應的負電荷減少，溝道變窄，使iD減少；當vGS 為負電壓到達VP(夾斷電壓)，以至感應的負電荷消失，耗盡區(qū)擴展到整個溝道，溝道完全夾斷。此時iD=0重要特點之一在正或負的柵源電壓下工作1.基本上無柵流V-I特性曲線及大信號特性方程(V)截止區(qū)IDSS：飽和漏極電流VP：夾斷電壓(負值)-4 -3 -2 -1 0 1vGS(V)vDS=5V的轉移特性ID(mA)VP耗盡型MOSFET的電流方程可變電阻區(qū)飽和區(qū)PPPPPP表示柵源極間短路零柵壓的漏極電流稱為飽和

9、漏極電流P溝道MOSFET 為了能正常工作，PMOS外加的vDS必須是負值，開啟電壓VT也是負值。實際的電流方向是流出漏極。 以P溝道E型MOS管為例 導電溝道產(chǎn)生的條件：vGS = VTH 可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的界線： vDS = vGS VTH 可變電阻區(qū)： vGS = vGS VTH 飽和區(qū)： ： vGS = VTH， vDS = vGS VTH溝道長度調制效應 在理想情況下，當MOSFET工作于飽和區(qū)時，iD與vDS無關。而實際當vGS一定，vDS增加時，iD會有所增加 MOS晶體管中，柵下溝道預夾斷后、若繼續(xù)增大vDS ，夾斷點會略向源極方向移動。導致夾斷點到源極之間的溝道長度L略有減

10、小，有效溝道電阻也就略有減小，從而使更多電子自源極漂移到夾斷點，導致在耗盡區(qū)漂移電子增多,使iD增大，這種效應稱為溝道長度調制效應是溝道長度L調制參數(shù)，單位為mMOSFET的直流參數(shù) 開啟電壓VTH（E型MOSFET的參數(shù)） 當vDS為某一固定值使iD(eg. 10V)等于微小電流(eg. 50A)時，柵源間的電壓為VTH 夾斷電壓VP（ D型MOSFET的參數(shù)） 當vDS為某一固定值使iD(eg. 10V)等于微小電流(eg. 20A)時，柵源之間所加的電壓為VP 飽和漏極電流IDSS （ D型MOSFET的參數(shù)） 當 ，且 時的漏極電流 令| vDS |=10V, 時測出的iD就是IDSS 在轉移特性上 ，就是 時的漏極電流 小結 導電溝道為電子的成為n溝道器件，導電溝