221绝缘栅场效应三的工作原理

N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 02.13。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 图02.13 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。 (1)N沟道增强型MOSFET 结构 根据图02.13， N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极， 当栅极加有电压时，若0VGSVGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。工作原理 1栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。 VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。 进一步增加VGS，当VGSVGS(th)时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。 (动画2-4） 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。 图02.14 VGS对漏极电流的控制特性转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm=ID/VGS VDS=const (单位mS) ID=f(VGS)VDS=const 2漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。图02.15(a) 漏源电压VDS对沟道的影响(动画2-5) 当VDS为0或较小时，相当VGSVGS(th)，沟道分布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。 当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图02.15(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。 当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。 当VGSVGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响，即ID=f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。图02.16 漏极输出特性曲线ID=f(VDS)VGS=const (2)N沟道耗尽型MOSFET 当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图02.17(b)所示。 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图02.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。 (a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图02.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线 P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理 P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理新改进的电子教案新改进的电子教案 2.3.2 2.3.2 绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管 场效应三极管有二种结构形式： 1.绝缘栅型场效应三极管 又分增强型和耗尽型二类 2.结型场效应三极管-只有耗尽型 场效应三极管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分。不象双极型三极管只有NPN和PNP两类，场效应三极管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相同，所以下面以增强型N沟道场效应三极管为例来加以说明。 2.3.2.1 N沟道增强型MOSFET的结构P型衬底BSiO2N+N+SDG 取一块P型半导体作为衬底，用B表示。 用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。 然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分） 从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。 N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。DGSBDGSB动画动画2-3 2.3.2.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理 对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。 1栅源电压UGS的控制作用SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。 UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。 同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。 沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生。反型层 显然改变显然改变UGS就会改变沟道，就会改变沟道，从而影响从而影响ID ，这说明这说明UGS对对ID的控制作用。的控制作用。0DSU 当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS ，也不能形成ID 。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。动画动画2-4 2漏源电压UDS的控制作用 设UGSUGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。 当UDS进一步增加时， ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断 当UDS进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。DI动画动画2-5 2.3.2.3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线 N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线。1转移特性曲线OGSU4321/VDImA/4321Uth(on)10VDSU N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示，它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。 转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm称为跨导。这是场效应三极管的一个重要参数。constGSDmDSUUIg单位mS（mA/V） 2漏极输出特性曲线 当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，反映UDS对ID的影响，即ID=f(UDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。 场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。但是改变UGS可以明显改变漏极电流ID，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.曲线分五个区域：（1）可变电阻区（2）恒流区（放大区）（3）截止区（4）击穿区（5）过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区 OV2GSUV3V5 . 3V4DImA/15105DSU/V恒流区.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：OGSU4321/VDImA/4321UGS(th)10VDSU 2.3.2.4 N沟道耗尽型MOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+04321654321/mA/VDGSIUIDSSUGS(off) N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。 当UGS=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。夹断电压IDSS 关于场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。表示衬底在内部没有与源极连接。N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。 N沟道结型MOS管。没有绝缘层。如果是P沟道，箭头则向外。