场效应晶体管的结构工作原理和输出特性

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N型半导体的共价键结构
N 型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子 （少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。
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P型半导体
在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的三价元素，如硼（B）、铟 （In）等，则构成P型半导体。
三价的元素只有三个价电子，在与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时， 由于缺少一个价电子，在晶体中便产生一个空位，邻近的束缚电子如果获 取足够的能量，有可能填补这个空位，使原子成为一个不能移动的负离子， 半导体仍然呈现电中性，但与此同时没有相应的自由电子产生，如图所示。
N+
D反型层
++
显然改变UGS 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压 就会改变沟道， U GS以后并不断增加。 从而影响 ID ， 带给栅极正电荷，会将正对 SiO2 GS对 这说明UU ID GS 层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成 的控制作用。
一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表 示。
S iO 2
N+
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
同时会在栅极下的表层感生一定 当UGS较小时，不能形成有 的电子电荷，若电子数量较多，从而在 效的沟道，尽管加有UDS ，也不 漏源之间可形成导电沟道。 能形成ID 。当增加UGS，使ID刚 沟道中的电子和 P型衬底的多子导 刚出现时，对应的UGS称为开启 电性质相反，称为反型层。此时若加上 电压，用UGS(th) 或UT表示。 U ，就会有漏极电流 I 产生。
本征激发产生电子空穴对
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杂质半导体 在本征半导体中加入微量杂质，可使其导电性能显著改变。 根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：电子型（N型） 半导体和空穴型（P型）半导体。
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N 型半导体 在硅（或锗）半导体晶体中，掺入微量的五价元素，如磷 （P）、砷（As）等，则构成N 型半导体。 五价的元素具有五个价电子，它们进入由硅（或锗）组成 的半导体晶体中，五价的原子取代四价的硅（或锗）原子，在 与相邻的硅（或锗）原子组成共价键时，因为多一个价电子不 受共价键的束缚，很容易成为自由电子，于是半导体中自由电 子的数目大量增加。自由电子参与导电移动后，在原来的位置 留下一个不能移动的正离子，半导体仍然呈现电中性，但与此 同时没有相应的空穴产生，如图所示。
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PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条 件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数 载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷 区的宽度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。
PN结的形成演示
空间电荷区 空间电荷区
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作成：高能杰 扬州虹扬科技发展有限公司 2014年8月
HY Technology Development Co., Ltd.
目录：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 半导体材料简介 场效应管简介 场效应管分类 N沟道增强型MOS场效应管工作原理 N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 各种场效应的特性曲线 场效应管与双极型晶体管比较 场效应管的各项参数 场效应管的命名规范
I D/ mA 可变电阻区
过损耗区
曲线分五个区域： 击穿区 （1）可变电阻区 （2）恒流区（放大区） （3）截止区 （4）击穿区
4V
恒流区
O
5 10 15
截止区
3..5V 3V U GS 2V U DS /V
（5）过损耗区
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从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：
I D/ mA
DS D
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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。
U DS UGS＞UGS(th) S G ++
N
+
++
N
+
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， ID UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极 预夹断 和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。 D 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。
P 型半导体中，空穴为多数
载流子（多子），自由电
子为少数载流子（少子）。
P 型半导体主要靠空穴导电。
P型半导体共价键结构
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PN结的形成
多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图所示。
由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原 来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离 子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的 PN结，如图所示。在空 间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，因 7 此又称空间电荷区为耗尽层。
半导体材料简介
本征半导体 完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。 本征半导体的原子结构及共价键 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子 组成，称为束缚电子。图所示为硅和锗的原子结构和共 价键结构。
硅和锗的原子结构和共价键结构
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两种载流子——自由电子和空穴 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电 子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空 位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成 对出现，数目相同。图所示为本征激发所产生的电子空穴 对。
I D/ mA

恒流区
UDS 10V
4V
O
5 10 15
3 ..5V 3V U GS 2V U DS /V
4 3 2 1
O
1 2 3 4
U GS /VΒιβλιοθήκη UGS(th)22
N沟道耗尽型MOSFET
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。
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（2）PN结外加反向电压 PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结 反向偏置，简称为反偏，如图所示。
P端引出极接电源负极，N端引出极电源正极的接法称为反向偏置； 反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩 散难以进行，即PN结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运 动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 IR一般情况下可忽略不 计，此时称PN结处于截止状态。
空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指 向P区的内电场。内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍 作用。同时，内电场则可推动少数载流子（P区的自由电子和 N区的 空穴）越过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场作用下有 规则的运动称为漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反。无外 加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过， PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。
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 N沟道增强型MOSFET的转移特 I D/ mA 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 U DS 10V 用这个关系式来表达，这条特性曲线 4 称为转移特性曲线。 3 转移特性曲线的斜率gm反映了栅 2 源电压对漏极电流的控制作用。 gm 1 称为跨导。这是场效应三极管的一个 U GS /V O 1 2 3 4 重要参数。
扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结 多子 扩散 形成空间电荷区 产生内电场
促使
少子 漂移
阻止
P区 N区
P区
空间电荷区
N区
＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋
载流子的扩散运动
内电场方向 PN 结及其内电场
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（1）PN结外加正向电压 PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN 结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。 PN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示： 正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩 散运动大大超过少子的漂移运动，N区的电子不断扩散到P区，P区 的空穴也不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于 导通状态。
S G D D
+++++++++ N+ N+
I D /mA 6 5 4 3 2 1
UGS(off) 4 3 2 1 0 I DSS
IDSS
S iO 2 G S B
夹断电压
P 型衬底 B
U GS/V
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。 23
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场效应晶体管简介
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效 应管。主要有两种类型: 1.（Junction FET—JFET)结型场效应管； 2.金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET，简称MOSFET）绝缘栅型场效应管或者MOS场效应管 结型场效应管和MOS场效应管都有N沟道和P沟道之分，MOS场效应 管还有增强型和耗尽型之分，结型场效应管只有耗尽型，所以场 效应管共有六种类型的管子。场效应管由多数载流子参与导电， 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（107～1015Ω ）、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。