模拟电路基础MOS场效应管

场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)。(a)输入电阻高，可达107~1015W。(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应管的主要特点1-5场效应管(FieldEffectTransistors,FET)场效应管，简称FET(FieldEffectTransistor)。(a)输入电阻高，可达107~1015W。(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应管的主要特点1-5-2绝缘栅场效应管(InsulatedGateFET)MOS场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)结型场效应管（JFET）N-沟道P-沟道MOS管增强型耗尽型N-沟道P-沟道N-沟道P-沟道场效应管SiO2结构示意图P型硅衬底源极S栅极G漏极D增强型MOS场效应管(EnhancementMOS)衬底引线BN+N+DBSG传统符号1.N沟道增强型DSGSiO2结构示意图N型硅衬底源极S栅极G漏极D衬底引线BP+P+DBSG符号2.P沟道增强型MOSDSG两端的MOS电容器结构（a）平板电容器（b）负栅压偏置的MOS电容器（c）有空穴累积层的MOS电容器gategate（a）正栅压偏置的MOS电容器（P型衬底）（b）正等程度的正栅压偏置的MOS电容器（P型衬底）（c）较大正栅压偏置的MOS电容器（P型衬底）（a）正栅压偏置的MOS电容器（N型衬底）（b）中等负栅压偏置的MOS电容器（N型衬底）（c）较大负栅压偏置的MOS电容器（N型衬底）增强型NMOS的工作原理SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，总有一个PN结是反向偏置，漏极电流均接近于零。(1)UGS=0,UDS0增强型NMOS管的工作原理P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0(2)0UGSVT由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。UGSN+N+UDS1.增强型NMOS管VT：使NMOS管导通的开启电压。栅极和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器d电场EV平板电容器EdPtypeVTN：thresholdvoltage,thegatevoltagerequiredtoturnonthetransistorV反型层P型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。(3)UGSVTN型导电沟道N+N+UGS1.增强型NMOS管通过控制UGS来控制导电沟道的宽度，从而控制电流ID。OxidePtypeDiDSusmall)(satDSDSuuGSDG耗尽层OxidePtypeDiDSuSDOxidePtypeDiDSuGSD)(satDSDSuu)(satDSDSuuOxidePtypeDiDSuGSD(3)uGSVTN4321051015UGS=5V6V4V3V2V增强型NMOS管的特性曲线饱和区击穿区可变电阻区2.E型场效应管的特性曲线输出特性ID/mA0123246UGS/VVT转移特性ID/mA截止区2n)(KthGSDVUIprocessconductionparameter,N沟道EMOS直流分析Vth是增强型MOSFET开始形成反型层所需的vGS值，称为开启电压。对E型NMOS管，Vth为正值，对E型PMOS管，VGS(th)为负值。反型层出现后，SD极间出现导电沟道，vGS越大，导电沟越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，沟道电阻越小。E型PMOS管和NMOS管的UGS和UDS电压极性相反，iD方向也相反。输出特性曲线的形状相似输出特性曲线处于第三象限E型PMOSFET工作原理结构示意图P型硅衬底源极S漏极D栅极G衬底引线B耗尽层3.N沟道耗尽型MOSFETN+N+正离子N型沟道SiO2DBSG传统符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，形成原始导电沟道简化符号D型NMOSFET工作原理D型NMOS管和E型NMOS管结构基本相同，区别仅在于导电沟道事先存在，在UGS=0的时候，iD也不等于0。当UGS=VP时，导电沟道消失，iD=0。vGS=0时iD0D型MOSFET的伏安方程：恒流区2(1)[()]GSDDSSDSGSPPuiIuuVVVP表示夹断电压。增强型管用Vth表示开启电压。耗尽型p-沟道MOSFETCMOS（ComplementaryMOSFET）多晶硅：由大量结晶方向不相同的硅单晶体组成的硅晶体几乎不导电沟道长度调制效应沟道长度调制系数击穿效应当Vds大到一定程度，漏极与衬底间的PN结发生雪崩击穿，导致漏极电流大大增加。N沟道EMOS做非线性电阻处于饱和区MOS管做放大器使用MOSFET的注意事项因为MOS管的栅极与衬底表面的绝缘层很薄，当带电体或人体接触栅极时，由于会在栅极与衬底上产生感生电荷，而栅极与衬底间的平板电容器容量又小，感生电荷累积会产生很高的电压，极易导致绝缘层的击穿而损坏管子，保存时应将各电极短接。