mosfet

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02.13N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(MetalOxideSemiconductorFET)。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MOSFET①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0＜VGS＜VGS(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。②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VGS＞VGS(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VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。图02.14VGS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=const2．漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用当VGS＞VGS(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=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS－VDS当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(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VGS＞VGS(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VGSVGS(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VGS＞VGS(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VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0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02.17N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。2.3.2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。2.3.2.1N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2-32.3.2.2N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UGS就会改变沟道，从而影响ID，这说明UGS对ID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2-42．漏源电压UDS的控制作用设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU++++GSU＞GS(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2-52.3.2.3N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)10VDSUN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。constGSDmDSUUIg单位mS（mA/V）2．漏极输出特性曲线当UGS＞UGS(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。OV2GSUV3V5.3V4DImA/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OV2GSUV3V5.3V4DImA/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)10VDSU2.3.2.4N沟道耗尽型MOSFETSDGPN+N+SiO2型衬底DGSBB+++++++++04321654321/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UGS＞0时，将使ID进一步增加。UGS＜0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。