第6章 结型场效应晶体管
半导体物理基础 第六章 MOS
QS QB qNa xd
2 qNa xd S 2k s 0
（6-5）
和
（6-6）
6.2 理想MOS电容器
代入（6-44）式解出 x
d
Xd
kS 0 kS 0 2VG 1 C0 2 C0 C0 qkS 0 N a
2 0 12
（6-45）
C 2C 1 qN k VG C0 a S 0
6.2 理想MOS电容器
积累区（ VG <0）
MOS系统的电容C基本上等于绝缘体电容 C0。当负偏压的数值逐渐减少时，空间电 荷区积累的空穴数随之减少，并且 QS 随 C也就变小。 平带情况（ VG =0）
S
的变化也逐渐减慢， C S 变小。总电容
C FB C0
1 k 0 LD 1 k s x0
（6-1）
掌握载流子积累、耗尽和反型和强反型的概念。 正确画出流子积累、耗尽和反型和强反型四种情况的能带图。 导出反型和强反型条件
6.2 理想MOS电容器
6.2 理想MOS电容器
系统单位面积的微分电容
微分电容C与外加偏压 VG 的关系称为MOS系统的电容—电压特性。
dQM C dVG
（6-1）
S =半导体表面的电场
k0 =氧化物的相对介电常数
k S =半导体相对介电常数
xd =空间电荷区在半导体内部的边界亦即空间电荷区宽度。
外加电压 VG 为跨越氧化层的电压
V0和表面势 S 所分摊：
（6-2）
VG V0 S
6.1 理想MOS结构的表面空S结构内的电位分布
（6-22）
dV0 d s 1 dVG C dQM dQM dQM
结型场效应晶体管
结型场效应晶体管
1 场效应晶体管
场效应晶体管（Field-Effect Transistor，简称FET），是一种
小尺寸、低功耗、高速度的电动学元件，它是半导体物理的一个重要
表现，是一种关于电场和物质的交互作用的元件，是当今微机设计的
基础和原材料。
2 具体特征
场效应晶体管通常由三个部分组成，即源极电极、屏蔽极电极和
控制极电极，它们均处在一个封装的金属外壳内，以及其中的一层能
带 Git 隔离的绝缘薄膜。
场效应晶体管的特性有节流特征、抗漏特征，具有噪声放大小、低漏极性和小尺寸可靠性优点，因此它在电子设计
中是十分重要的一种晶体管。
3 应用
在军事、航空、通信等领域，场效应晶体管可以实现信息的传递
和控制，利用场效应晶体管实现信号截取，对于电子设计也是必不可
少的。
在家用电器如空调、电视机、洗衣机等设备中也可以看到场效
应晶体管的应用，例如微波炉、录像机等，在它们的控制系统中都有
场效应晶体管的使用。
4 总结
FET 是一种场效应晶体管，它通过电场控制导通电流，具有低功耗、小尺寸和高效率等优势，在电子设备的控制系统中是十分重要的一种元件，其极大地促进了电子科学的发展。
结型场效应管 原理
结型场效应管原理
场效应管是一种半导体器件，常用于放大、开关电路等应用。
结型场效应管（JFET）是其中一种常见的结构。
JFET的主要原理是利用PN结形成的场效应。
它由三个区域组成：中间是一个P型或N型的半导体材料，两侧分别是控制电极（Gate）和输出电极（Drain与Source）。
控制电极之间形成的PN结—反向偏置结（Reverse biased junction），形成一个可控制的电场区域，这个电场区域控制了从Source到Drain的电流。
在工作时，当Gate和Source之间的电压增加时，PN结的电导性减小，电场区域增宽。
这会导致Source到Drain的电流减小，即输出电流被控制。
这种控制过程是通过改变电场区域宽度而实现的，因此称为场效应。
JFET有两种常见的结构：N型JFET和P型JFET。
N型JFET 是由P型材料夹在两个N型材料之间形成的，而P型JFET则是由N型材料夹在两个P型材料之间形成的。
两者的工作原理基本相同，只是电流流动方向相反。
在实际应用中，JFET具有很多优点，比如体积小，可以工作在较高的频率范围内，具有较低的噪声，以及可以工作在宽温度范围内等。
因此，JFET被广泛应用于放大器、开关和稳压器等电路中。
(实验六)结型场效应管放大电路
实验六 结型场效应管放大电路一．实验摘要通过对实验箱上结型场效应管的测试，认识N 沟道JFET 场效应管的电压放大特性和开关特性。
给MOS 管放大电路加输入信号为：正弦波，Vpp=200mV-500mV ，f=2Khz 。
测量输入电阻时，输入端的参考电阻Rs=680K 。
二．实验主要仪器三极管，万用表，示波器，信号源及其他电子元件。
三．实验原理场效应管放大器性能分析图6－1为结型场效应管组成的共源级放大电路。
其静态工作点2PGS DSS D )U U (1I I -= 中频电压放大倍数 A V ＝－g m R L ＇＝－g m R D // R L 输入电阻 R i ＝R G ＋R g1 // R g2 输出电阻 R O ≈R D式中跨导g m 可由特性曲线用作图法求得，或用公式 )U U(1U 2I g PGS P DSS m --= 计算。
但要注意，计算时U GS 要用静态工作点处之数值。
输入电阻的测量方法场效应管放大器的静态工作点、电压放大倍数和输出电阻的测量方法，与实验二中晶体管放大器的测量方法相同。
其输入电阻的测量，从原理上讲，也可采SD DD g2g1g1S G GS R I U R R R U U U -+=-=用实验二中所述方法，但由于场效应管的R i 比较大，如直接测输入电压U S 和U i ，则限于测量仪器的输入电阻有限，必然会带来较大的误差。
因此为了减小误差，常利用被测放大器的隔离作用，通过测量输出电压U O 来计算输入电阻。
测量电路如图所示。
输入电阻测量电路在放大器的输入端串入电阻R ，把开关K 掷向位置1（即使R ＝0），测量放大器的输出电压U 01＝A V U S ；保持U S 不变，再把K 掷向2（即接入R ），测量放大器的输出电压U 02。
由于两次测量中A V 和U S 保持不变，故V S iii V 02A U R R R U A U +== 由此可以求出 R U U U R 02O102i -=四．实验步骤1.检测实验所用三极管及示波器是否能够正常使用；2.由于电路图已经搭建好，接通信号源，连接示波器；3.调节电路板上的旋钮，使波形先后处于截止，饱和的状态，测量此时的GS V 、DS V 和3R V ；4.调节电路板上的旋钮，使波形处于既不截止又不饱和的状态，测量输入电阻。
场效应晶体管的分类
场效应晶体管的分类
1. 结型场效应晶体管啊，这可就像电路中的小卫士！比如在一些音频放大器里就能看到它的身影呢。
2. 绝缘栅型场效应晶体管，那可是厉害角色，就如同精确的指挥官，在各种电子设备中掌控着电流，像电脑里就有它在默默工作哟。
3. 增强型场效应晶体管呀，简直是给电路注入活力的魔法棒！想想那些快速运行的电子玩具，可不就有它的功劳。
4. 耗尽型场效应晶体管呢，就好像沉稳的老大哥，在很多地方都发挥着独特作用，比如一些仪器仪表里就有它哦。
5. N 沟道场效应晶体管，不就如同勇敢的战士在电流的战场上冲锋陷阵嘛，好多电子产品可都靠它啦。
6. P 沟道场效应晶体管，像是默默奉献的幕后工作者呢，在特定的电路环境里发挥关键作用，一些智能设备中可少不了它。
7. 高压场效应晶体管，那就是应对大场面的强者呀！难道不是在高压环境下展现出强大的力量吗？
8. 低噪声场效应晶体管哇，就如同一个安静的守护者，悄悄地让设备安静而高效地运行，像一些精密仪器里它可重要了呢。
总之，场效应晶体管的分类丰富多样，每一种都在电子世界里有着不可替代的地位呀！。
场效应晶体管
场效应管的测量（5）
（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小 对ＶＭＯＳ Ｎ沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极Ｓ、黑表笔接漏极Ｄ，这就相 当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表 的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极Ｇ时，会发现管的反向电阻值 有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变 化不大。 二、.场效应管的使用注意事项 （1）为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管的耗散功率，最大漏源电压、最大栅源电压 和最大电流等参数的极限值。 （2）各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接人电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如 结型场效应管栅源漏之间是ＰＮ结，Ｎ沟道管栅极不能加正偏压；Ｐ沟道管栅极不能加负偏压，等等。 （3）MOS场效应管由于输人阻抗极高，所以在运输、贮藏中必须将引出脚短路，要用金属屏蔽包装， 以防止外来感应电势将栅极击穿。尤其要注意，不能将MOS场效应管放人塑料盒子内，保存时最好放 在金属盒内，同时也要注意管的防潮。 （4）为了防止场效应管栅极感应击穿，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好 的接地；管脚在焊接时，先焊源极；在连入电路之前，管的全部引线端保持互相短接状态，焊接完后才 把短接材料去掉；从元器件架上取下管时，应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等；当然，如果 能采用先
具体方法：用万用表电阻的R×100档，红表笔接源极Ｓ，黑表笔接漏极Ｄ，给场效应管加 上1.5Ｖ的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的 栅极Ｇ，将人体的感应电压信
场效应管的测量（3）
号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流Iｂ都要发 生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆 动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明 管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。 根据上述方法，我们用万用表的R×100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的 Ｇ极开路，测得漏源电阻RDS为600Ω，用手捏住Ｇ极后，表针向左摆动，指示 的电阻RDS为12kΩ，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大 能力。 运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针 可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体 感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或 者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表 针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何， 只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场 效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，栅极Ｇ允许的感应电 压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金
结型场效应管工作原理
结型场效应管工作原理场效应管简称FET，是一种可以调控电流的电子器件。
它具有低功耗、高带宽和高输入阻抗等优势，因此在模拟和数字电路中被广泛应用。
PN结型JFET由PN结与控制电极（门极）组成。
PN结由一个P型区和两个N型区组成，控制电极将外部电场应用于PN结。
在没有输入电压的情况下，JFET处于截止区，导通状态。
当外加一个负偏压（Vgs）时，控制电极中的电子从PN结中受到吸引，形成一个电子井，电子井的深度和宽度由Vgs控制。
PN结中的载流子移动会减少井的深度，导致电阻增加。
新来的电子流与减少的电子流相抵消，保持平衡。
在平衡状态下，电流保持不变，即输入电流等于输出电流。
因此，JFET被称为恒流源。
当控制电极中的电压增大，导电路径的宽度减小，电流减小。
类似地，当控制电极中的电压减小，导电路径的宽度增加，电流增加。
PN结型JFET主要有三个工作区域：截止区、三级区和饱和区。
在截止区，输入电压较低，导通电流很小。
在三级区，输入电压增大，电流增大。
在饱和区，输入电压进一步增大，电流几乎保持不变。
JFET的输人电导（gm）是指输出电流变化与输入电压变化的比例。
输入电导是一个重要的参数，用于描述JFET的电流放大特性。
输入电导又与电流平方成正比，因此平方特性也是JFET的一个重要特点。
除了上述工作原理外，JFET还具有一些特殊特性。
首先，JFET具有高输入阻抗，因此具有很好的阻抗匹配能力。
其次，JFET没有输入电流偏置，因此它几乎没有直流功耗。
此外，JFET具有极低的噪声水平，使其成为放大器、滤波器和混频器等器件的理想选择。
总之，结型场效应管通过控制电场在PN结中的分布，从而调节输出电流。
它具有恒流源特性、平方特性以及高输入阻抗等特点。
结型场效应管被广泛应用于各种电子器件中，为实现低功耗、高效率的电路设计提供了很大的便利。
场效应管、晶闸管和单结晶体管的识别与检测
6.1 场效应管的识别与检测 场效应管是场效应晶体管的简称，具有输入电阻高、 噪声小、功耗低、安全工作区域宽、受温度影响小 等优点，特别适用于要求高灵敏度和低噪声的电路。 场效应管和三极管都能实现信号的控制和放大，但 由于它们的结构和工作原理截然不同，所以二者的 差别很大。三极管是一种电流控制元件，而场效应 管是一种电压控制器件。 场效应管（FET）是一种电压控制型半导体器件 （通过改变栅极和源极之间电压来控制其漏极电 流），在电路中主要起信号放大、阻抗变换等作用； 晶体闸流管简称晶闸管（可控硅），是可控整流半 导体器件，主要用于交直流无触点开关、调光、调 速、过压保护等电路中；单结晶体管因只有一个PN 结，但它与二极管的特性却不相同，多用于触发电 路、振荡电路及双稳态等电路中。
（2）单向晶闸管触发能力的判断
1 .对1A～10A的晶闸管，可用万用表的R×1档，红表笔接A极，黑表笔 接K极，表针不动；然后使红表笔周与A极相接的情况下，同时与控制极 G接触。此时可从万用表的指针上看到晶闸管的A-K之间的电阻值明显变 小，指针停在几欧到十几欧处，晶闸管因触发处于导通状态。给G极一 个触发电压后离开，仍保持红表笔接A极，黑表笔接K极，若晶闸管处于 导通状态不变，则表明晶闸管是好的；否则，晶闸管可能是损坏的。
6.1.2 场效应管的命名法 国产场效应管的型号命名方法有两种：第一种是与 普通三极管相同，第一部分用数字3表示主称；第 二部分用字母表示材料：D是P型硅N沟道，C是N 型硅P沟道；第三部分用字母表示管子种类：字母J 代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管；第四 部分用数字表示序号。 例如，3DJ6D表示结型N沟道场效应三极管， 3DO6C表示绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法采用字母“CS”+“XX﹟”的形式，其 中“CS”代表场效应管，“XX”以字代表型号的序号， “﹟”用字母代表同一型号中的不同规格，如CS16A、 CS55G等。
场效应晶体管的工作原理
由于栅极与P 区相连,所以,两个PN结都加上了反向电压,只有极微小电流流出栅极。由于漏极和源极都和N区相连,漏、源极之间加正向电压之后,在栅极电压负值不大时,源极之间有漏极电流,D流过,它是由N区中多数载流子(电子)形成的。
当PN结施加反向电压时(P接负极,N接正极),耗尽区就会向半导体内部扩展,使耗尽变宽,使耗尽区里的空间电荷增多。这种扩展,如果N区杂质浓度高于P区,主要在P区进行晶体管的工作原理如图73所示。它是在一块低掺杂的N型区两边扩散两个高掺杂的P型区,形成两个PN结,一般情况下N区比较薄。N区两端的两个电极分别叫做漏极(用字母D表示)和源极(用字母S表示),P 区引出的电极叫做栅极(用字母G表示)。
场效应晶体管的工作原理
场效应晶体管是受电场控制的半导体器件,而普通晶体管的工作是受电流控制的。场效应晶体管主要有结型场效应晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管(通常称MOS型)两种类型。两种管子工作原理不同,但特性相似。
1.结型场效应晶体管的工作原理
与普通结型晶体管一样,结型场效应晶体管的基本结构也是PN结。N型半导体与P型半导体形成PN结时,N区电子很多,空穴很少,而P区空穴很多,电子很少,因此在PN结交界处,N区电子跑向P区,P区空穴跑向N区。这样,在N区留下的是带正电的施主离子,在P区留下的是带负电的受主离子。这一区域内再也没有自由电子或空穴了,故称为“耗尽区”或“耗尽层”,又称空间电荷区
更多电子元件资料
由于P N结的耗尽区大部分在N区,当加上反向电压时,耗尽区主要向N区扩展。电压愈高,两个耗尽区之间电流可以通过的通道(常称为沟道)就愈窄,所以加在栅极与源极之间的负电压越大,两个耗尽区变得越厚,夹在中间的沟道就越薄,从而使沟道的电阻增大,漏电流ID减小;反之ID增大。漏极电流ID的大小会随栅、源之间的电压UGS大小而变,也就是说,栅、源电压US能控制漏电流ID,这就是结型场效晶体管的工作原理。需要着重指出的是,它是用电压来控制管子工作的。前面讲的是两个P 区夹着一个薄的N区形成的结型场效应晶体管,称为N沟道结型场效应晶体管。同样,用两个矿区夹着一个薄的P区就形成P沟道结型场效应晶体管,但是它的正常电压与N区沟道管子相反。
第六章晶体放大电路
IB =80uA
集电极电流通过集
IB =60uA
电结时所产生的功耗，
IB =40uA
PC= ICUCE < PCM
IB =20uA
IB=0
u
CE
(V)
（3）反向击穿电压
BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下几种：
① U（BR）EBO——集电极开路时，发射极与基极之间允许的最大 反向电压。其值一般1伏以下～几伏。 ② U（BR）CBO——发射极开路时，集电极与基极之间允许的最大 反向电压。其值一般为几十伏～上千伏。
当UB > UE , UB > UC时，晶体管处于饱和区。
当UB UE , UB < UC时，晶体管处于截止区。
C
晶体管
C
T1 T2 T3
T4
N
基极直流电位UB /V 0.7 1 -1 0
B
B
P
发射极直流电位UE /V 0 0.3 -1.7 0
N
集电极直流电位UC /V 5 0.7 0
15
E
工作状态
（2）V1=3V， V2=2.7V， V3=12V。 鍺管，1、2、3依次为B、E、C
符号规定
UA 大写字母、大写下标，表示直流量。 uA 小写字母、大写下标，表示全量。
ua 小写字母、小写下标，表示交流分量。
uA
全量
ua
交流分量
UA直流分量
t
6.3 双极型晶体三极管放大电路
6.3.1 共发射极基本放大电路
能够控制能量的元件
放大的基本要求：不失真——放大的前提
判断电路能否放大的基本出发点
放大电路的主要技术指标 1.放大倍数——表示放大器的放大能力
场效应晶体管培训课件
绝 缘 栅 场效应晶体管 场 效 应 管
结 型 场 效 应 管
场 效 应 管 的 特 点
精
1
第四节
场效应晶体管简称场效应管，用FET来表示 （Field Effect Transistor）。
绝缘栅场效应管
结型场效应管
精
2
一、绝缘栅场效应管
第四节
绝缘栅场效应管是一种金属—氧化物—半导体场效 应管，简称MOS管。
精
15
第四节
（3）栅源极间击穿电压U(BR)GS
是指在uDS=0时，栅源极间绝缘层发生击穿，产生很大的短路 电流所需的uGS值。击穿将会损坏管子。
（4）漏源极间击穿电压U(BR)DS
P i u iD(mA)
DM
D
DS
是指在uDS增大时，使iD开始急剧增 加的uDS值。 此时不仅产生沟道中的电子参与导 电，空间电荷区也发生击穿，使电 流增大。
第四节
uGS≥UT 时，沟道形成。当uDS较小，即uGD>>UT时，沟道宽度受uDS的影 响很小，沟道电阻近似不变，iD随uDS的增加呈线性增加。
当uDS增大时，沟道各点与栅极间电压不等，使沟道从源极向漏极逐渐变 窄。随着uDS增大，沟道电阻迅速增大，iD不再随uDS线性增大。
当uDS增大到使uGD =UT时，在靠近漏极处，沟道开始消失，称为预夹断。
继续增大uDS ，则uGD <UT，夹断区增加，增加的uDS电压几乎全部降落 在夹断区上，所以uDS虽然增加而电流基本上是恒定的。
VDD
s g VGG
d
iD
uGD>UT
N
N
uGD=UT
耗尽区 P N沟道
uGD<UT
常用场效应管
常用场效应晶体管篇Statesman 发表于 2007-8-22 13:46:00场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。
而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
见下图。
二、场效应三极管的型号命名方法现行有两种命名方法。
第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。
第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。
例如,3DJ6D 是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。
场效应晶体管的栅极和电极的四种类型
场效应晶体管的栅极和电极的四种类型
场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）是一种常用的电子器件，其工作原理是通过电场来控制导电沟道的导电能力，从而实现信号的放大或开关。
根据结构和工作原理的不同，场效应晶体管可以分为四种类型，分别是：
1. 结型场效应晶体管（JFET）：这种类型的场效应晶体管有两个 PN 结，分别形成导电沟道和反型层。
在栅极电压的作用下，导电沟道的宽度会发生变化，从而控制源极和漏极之间的电流。
2. 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）：这种类型的场效应晶体管在金属、氧化物和半导体之间形成电场，通过改变这个电场来控制导电沟道的导电能力。
MOSFET 是目前应用最广泛的场效应晶体管之一。
3. 绝缘栅双极晶体管（IGBT）：这种类型的场效应晶体管结合了 FET 和BJT 的特点，由一个 FET 和一个 BJT 组成。
在栅极电压的作用下，IGBT 可以实现高速的开关和放大信号。
4. 高电子迁移率晶体管（HEMT）：这种类型的场效应晶体管采用特殊的半导体材料，如 GaN 和 InGaAs 等，可以实现更高的电子迁移率。
HEMT 在高速和高频领域有广泛的应用。
以上是场效应晶体管的四种类型，每种类型都有其独特的特点和应用场景。
半导体器件物理第六章习题
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管6-1．绘出在偏压条件下MOS 结构中对应载流子积累、耗尽以及强反型的能带和电荷分布的示意图，采用N 型衬底并忽略表面态和功函数的影响。
6-2．推导出体电荷、表面电势以及表面电场的表达式，说明在强反型时他们如何依赖于衬底的掺杂浓度a N 。
在1410至1810 3−cm 范围内画出体电荷、表面电势及电场与a N 的关系。
6-3．在受主浓度为31610−cm 的P 型硅衬底上的理想MOS 电容具有0.1um 厚度的氧化层，40=K ，在下列条件下电容值为若干？（a ）V V G 2+=和Hz f 1=，（b ） V V G 20=和Hz f 1=，（c ）V V G 20+=和MHz f 1=。
6-4．采用叠加法证明当氧化层中电荷分布为)(x ρ时，相应的平带电压变化可用下式表示：0000()x FB q x x V dx C x ρΔ=−∫ 6-5．一MOS 器件的01000x =Å，eV q m 0.4=φ，eV q s 5.4=φ，并且有21610−cm的均匀正氧化层电荷，计算出它的平带电压。
假设40=K ，运用习题6-4的表达式 6-6．利用习题6-4中的结果对下列情形进行比较。
(a) 在MOS 结构的氧化层中均匀分布着212105.1−×cm 的正电荷，若氧化层的厚度为150nm ，计算出这种电荷引起的平带电压。
(b) 若全部电荷都位于硅-氧化硅的界面上，重复(a)。
(c) 若电荷成三角分布，它的峰值在0=x ，在0x x =处为零，重复(a)。
6-7．在31510−=cm N a 的P 型Si<111>衬底上制成一铝栅MOS 晶体管。
栅氧化层厚度为120nm ，表面电荷密度为211103−×cm 。
计算阈值电压。
6-8． 一MOS 结构中由315105−×=cm N a 的N 型衬底，100nm 的氧化层以及铝接触构成，测得阈值电压为2.5V ，计算表面电荷密度。
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2
根据其结构(主要指栅极结构)和制作工艺，FET可分 为三类： (1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET)，由于原理上近 似，有时也将肖特基栅场效应晶体管--金属-半导体场效
应晶体管(缩写MESFET)划归此类；
(2)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET) (3)薄膜场效应晶体管(缩写TFT)
结型栅场效应晶体管，其栅极的控制作用是通过反向
2. JFET的直流参数
最小沟道电阻Rmin
L L 1 由于存在着沟道体电阻，漏电流将在沟道电阻上产生 Rmin 2qn N D x0 )W 2qn N D aW G0 压降。漏极电流在R (a产生的压降称为导通沟道压降。
Rmin表示VGS＝0、且VDS足够小，即器件工作在线 Rmin越大，此导通压降越大，器件的耗散功率也越大。 性区时,漏源之间的沟道电阻，也称为导通电阻。对 实际的JFET沟道导通电阻还应包括源、漏区及其欧 于耗尽型器件，此时沟道电阻最小，因而称其为最小 姆接触电极所产生的串联电阻RS和RD。它们的存在也将增 沟道电阻。 大器件的耗散功率，所以在功率JFET中应设法减小Rmin、 RS和RD以改善器件的功率特性。
成pn结的材料，均可作成肖特基场效应器件。
一般半导体材料的电子迁移率均大于空穴迁移率，所以高频场 效应管都采用n型沟道型式。
12
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
GaAs与Si相比，电子迁移率大5倍，峰值漂移速度大一倍，
所以在GaAs材料制备及其外延和光刻工艺发展成熟之后 ， GaAs-MESFET很快在高频领域内得到了广泛的应用。它在工作
和MESFET各种理论的基础。
JFET在工作时，由于栅源电压和漏源电压同时作用，沟道中 电场、电位、电流分布均为二维分布(如果认为沟道无限宽)，方
程求解非常复杂，肖克莱提出的缓变沟道近似模型很好地简化了
这个问题。 该模型的基本核心点是： ①假定沟道中电场、电位和电流分布均可用缓变沟道近似， ②认为漏极电流饱和是由于沟道夹断所引起。
G
P+
（6-1）
IDS
IDsat
VGS=0 B C
S
n
L
P+
2a
D
A
I'Dsat
VGS<0
G
V'Dsat VDsat
VDS
8
6.1 JFET的基本工作原理
2. JFET的基本工作原理
9
6.1 JFET的基本工作原理
3. JFET的特性曲线
n沟JFET 输出特性
10
6.1 JFET的基本工作原理
根据假设(4)，耗尽层中的电位仅与x有关，故可用一维泊松 方程求解，根据式(1-93b)，作用在沟道y处耗尽层上的总电压 (包括外加栅压及接触电势差)与该处空间电荷区宽度Xn(y)之间 有如下关系：
2 0 (VD V ) xm xn qND
Vt ( y) qN D 2 xn ( y ) 2 0 dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
16
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
另外，为了分析简单起见还做了一些其它可以修正的假设， 其主要假设如下(以n沟JFET为例)： (1)忽略源接触电极与沟道源端之间、漏接触电极与沟道漏端 之间的电压降； (2)忽略沟道边缘扩展开的耗尽区，源极和漏极之间的电流只 有y分量； (3)p+栅区与n型沟道区杂质浓度NA 、ND 都是均匀分布的，且 NA>>ND，即栅结为单边突变结； (4)栅结耗尽区中沿垂直结平面方向的电场分量 Ex与沿沟道长 度方向使载流子漂移的电场分量Ey无关，且满足 E x 变沟道近似(GCA)；
2 0 (VD V p ) qN D
] a
1 2
qN D a 2 VD V p 2 0
N或a越大， Vp 的 绝 对 值 将越大，即沟 道越难夹断。
本征夹断电压 Vp0=VD-Vp表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p-n
夹断电压VP
结上的电压降，为区别起见，称为本征夹断电压。
x E y ，此即缓 y
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(5)载流子迁移率为常数，与沟道中电场强度无关。
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
VGS G
P+
h1 y x n In(y) L a a h2 D
x0
S
VDS
a
ID
18
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性3 2 2 D源自（6-13）I DSS
1 qND a 2 2aWqn N D 3 2 0 L
1 1 qn nn qn N D
G0
V p0
2aWq n N D L
2
qN D a 2 0
I DSS
1 V p 0G 0 3
24
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
3. JFET的特性曲线
转移特性
11
6.1 JFET的基本工作原理
4. MESFET
MESFET的工作原理和JFET相同，只是用金-半接触取代了PN结
做栅极。 实际的MESFET是在半绝缘衬底上的外延层上制成的，以减小寄
生电容。
将金属栅极直接做在半导体表面上可以避免表面态的影响。 对于因为有高密度界面态而不能做成MIS器件的材料及很难形
21
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
以VDS=VDsat时，h2=a代入所得到的非饱和区电流-电压方程，得
I Dsat
2 2a 3W n q 2 N D 3h12 2h13 [1 2 3 ] 6 0 L a a
V VGS V VGS 3 2 I DSS [1 3( D ) 2( D ) ] V p0 V p0 I DSS V p0
哈尔滨工业大学（威海）微电子中心
罗敏
cn.minLuo@ TEL：5687574-804
微电子器件原理
第6章 结型场效应晶体管
1
场效应晶体管是区别于结型晶体管的另一大类晶体 管。它通过改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道
的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶
体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单 极型场效应晶体管”
2 2a 3W n q 2 N D 6 0 L
（6-13） （6-14） （6-15）
VGS=VD时
qN D a 2 2 0
（6-13）代表饱和区的电流电压关系 （6-14）IDSS称为最大饱和漏极电流 （6-15）Vp0称为本征夹断电压
VDS=0,h1=h2=a 时栅结上的电压 Vp0=VD-Vp(VGS)
(1-93b) (6-3) (6-4)
变换
求导
使耗尽层改变一定厚度所需要的电压改变量随耗尽层厚 度增大而增大，且与耗尽层边界处空间电荷密度成正比。
19
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
当沟道中不存在载流子浓度梯度时，可由欧姆定律写出：
J n ( y ) n ( y) E y I n ( y ) A( y )q n N D
3
(1)FET具有普通双极晶体管所不具有的特点，如体积小，重量轻 (2)FET是一种电压控制器件(通过输入电压的改变控制输出电流， 而双极型晶体管为电流控制器件。 (3)FET的直流输入阻抗很高，一般可达109—1015 (4)FET类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可 以采用直接耦合的形式，因而在电路设计中可提供较大的灵活性。 (5)噪声低，因而FET特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合， 如检测各种微弱信号的仪器、仪表、医疗器械等。 (6)热稳定性好。因为FET是一种多子器件，且可有正的、负的及 正负交叉的零温度系数工作点。只要在设计电路时使器件工作在零温 度系数工作点附近，即可消除温度的影响。 (7)抗辐射能力强，这也因为FET是多子器件。这一特点使其持别 适用于航天器等承受强烈核辐射、宇宙射线辐射的装备中。 (8)与双极晶体管相比，制作工序少、工艺简单，有利于提高产 品合格率、降低成本。
ID
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6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
1. 肖克莱理论和JFET的直流特性
V ( y) I n ( y)dy 2Wq n N D [a h( y)] dxn xn
利用边界条件 xn h1
y 0
1
dVt ( y) qND xn ( y ) dxn ( y) 0
2. JFET的直流参数
I DSS
2 a W V p0 3 L
I DSS
2 2a 3Wnq 2 N D 6 0 L
增大起始沟道厚度和沟道宽长比，减小沟道电
阻率，可以增大JFET的最大饱和漏极电流。同时，
IDSS与a的三次方成正比，因此应准确控制a以控制
IDSS。
25
6.2 JFET的直流特性与低频小信号参数
4
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
栅极G 源极S 漏极D N沟道 P沟道 增强型 耗尽型
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6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
6
6.1 JFET的基本工作原理
1. JFET的基本结构
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6.1 JFET的基本工作原理
2. JFET的基本工作原理
L L 平衡态沟道电阻： R A qn N D 2(a x0 )W
表6-1 JFET和MESFET的电路符号