场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
场效应晶体管
主要内容1. 场效应管的结构、符号与工作原理2. 场效应管的工作状态和特性曲线3. 场效应管的基本特性4. 场效应管的电路模型5-4场效应晶体管场效应晶体管概述场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)，主要特点：(a)输入电阻高，可达107~1015 。
(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。
(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。
场效应管按结构可分为：结型场效应管（JFET ）和绝缘栅型场效应管(MOSFET )；按工作原理可分为增强型和耗尽型。
场效应管的类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型N 沟道P 沟道N 沟道P 沟道（耗尽型）FET场效应管JFET 结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管的电路符号MOSFET 符号增强型耗尽型GS D SG D P 沟道G S DN 沟道GS D U GS =0时，没有漏极电流，U GS =0时，有漏极电流，U GS 高电平导通U GS 低电平导通需要加负的夹断电压U GS(off)才能关闭，高于夹断电压U GS(off)则导通而只在U GS >0时，能导通，低于开启电压U GS(th)截止5-4-1 场效应管结构、符号与工作原理1.场效应管基本结构图5-2-22沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号图N 沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号场效应管与三极管的三个电极的对应关系：栅极g--基极b 源极s--发射极e 漏极d--集电极c 夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。
=0时是否存在导电沟道是增强型和耗尽型的基本区别。
22例5-10在Multisim 中用IV 分析仪测试理想绝缘栅型场效应管如图5-4-3所示，改变V GS ，观察电压V DS 与i D 之间的关系。
场效应管
MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和 P沟道增强型管。
MOS管的特点
输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易 集成。
N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点
1. 工作原理
绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”
的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的
一、结型场效应管(JFET)
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号
在同一块N型半导体上制作两 个高掺杂的P区，并将它们连 接在一起，引出的电极称为栅 极G，N型半导体的两端引出 两个电极，一个称为漏极D， 一个称为源极S。P区与N区交 界面形成耗尽层，漏极和源极 间的非耗尽层区域称为导电沟 道。
直流输入电阻 RGS ：其等于栅源电压与栅极电流之比，结型管的 RGS 大于10^7 欧，而MOS管的大于10^9欧。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控 制作用。 ΔI D gm ΔU GS U DS 常数 单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：
① uGS 0时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加， 由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减 小，漏电流成指数规律的增加。
电力电子技术MOSFE
S
G +Vgs
D
N+
N+
耗尽层
P
Vgs <VT
耗尽层形成
1-3
➢栅极正偏>VT,大量电子积聚,反型层形成<与薄N 层等效>与漏源N＋形成导电沟道,厚度随栅极电压 增大而层 (N)
D
N+
N+
耗尽层
P
Vgs >VT
1-4
➢漏源电压>0,使导电沟道形成电压梯度,反 型层厚度从源到漏方向逐渐变薄.漏源电流 形成.
MOSFET特性与参数 一、静态特性与参数
输出特性、饱和特性、转移特性及通态电阻、开启电压、 跨导、最大电压定额、最大电流定额.
1．输出特性：
饱和区：放大区,随VGS增 大,ID电流恒流区域.
可变电阻区：ID 随VDS线性变化 区,VGS越大,沟道 电阻越小.
雪崩区：击穿 区,VDS增大,使漏 极PN结击穿.
反型层沟道电阻rCH 栅漏积聚区电阻rACC FET夹断区电阻rjFET 轻掺杂区电阻rD
增大VGS,可减小rCH和rjFET rD减小和提高耐压相矛盾.
Ron与器件耐压、温度关系： 器件耐压越高, Ron越大.随温度升高, Ron增大.
②开启电压VT：阈值电压 反型层建立所需最低栅源电压.
定义：工业上,在漏源短接条件下,ID=1mA时的栅极电压. VT随结温Tj变化,呈负温度系数,Tj每增高45OC,VT下降10%, -6.7mV/OC.
ID/A ID/A
50
50 非
40
饱 40 和
UGS=8V
区
30
30
饱和区 UGS=7V
20 10
《场效应晶体管》课件
六、总结
FET的优点与缺点
总结FET的优点和限制，帮助 您全面了解这一器件。
发展前景和应用前景
展望FET在未来的发展前景， 并探讨其在各个领域的应用 前景。
拟定的改善方案
提出改善FET性能和应用的建 议和方案，促进该技术的进 一步发展。
二、结构和工作原理
FET的结构组成
了解FET的结构和组成对于理解其工作原理至关 重要。
FET的工作原理
详细介绍FET的工作原理，包括导通和截止状态 的转换。
N型和P型FET的区别
掌握不同类型FET之间的区别，并理解其不同的 工作原理。
灵敏度和增益
解释FET的灵敏度和增益，以及对电路性能的影 响。
三、特性参数
2
2. FET振荡器
探索FET作为交流放大器的应用，详细介绍FET振荡器的基本电路和简单振荡电路。
五、FET的变型
M O SFET
MOSFET是一种常见的FET变型， 具有优异的性能和应用范围。
JFET
JFET是另一种重要的FET变型，适 用于一些特定的电路和应用。
基于FET的新型器件
介绍一些基于FET技术的新型器 件，展示FET在未来的发展前景。
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欢迎来到《场效应晶体管》的PPT课件！本课程将介绍场效应晶体管的概述、 结构、工作原理、特性参数、常见的电路以及FET的变型，通过详细的讲解和 实例演示，帮助您深入理解这一关键器件的原理和应用。
一、场效应晶体管概述
场效应晶体管是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子领域。它具有独特 的优势和一定的限制，而且可以在各种应用场景中发挥重要作用。
典型的FET参数
介绍常见的FET参数，如漏极电 流、跨导和截止电压。
垂直传输场效应晶体管
垂直传输场效应晶体管垂直传输场效应晶体管（Vertical Transport Field-Effect Transistor，VT-FET）是一种新型的晶体管结构，其工作原理是利用电场作用在垂直方向上传输电子，具有高速、高密度、低功耗等优异特性，是未来半导体器件领域的重要发展方向之一。
一、VT-FET的基本结构VT-FET主要由三个部分组成：源区、漏区和栅极。
源区和漏区在一侧或两侧，由高掺杂的P或N型半导体材料构成。
栅极从上方垂直地贴在源区和漏区之间，由金属或半导体材料制成。
栅极下方垂直穿过源区和漏区，形成了垂直电场通道。
二、VT-FET的工作原理在工作过程中，当给栅极施加正电压时，栅极下方形成了N型区域，形成了势垒。
当施加反向电压时，栅极下方是P型区域，形成空穴势垒。
栅极下方的空穴和电子会在势垒的作用下汇聚，形成垂直电场通道。
当源极给电压VDS时，空间中的电荷被拉入源极和漏极之间，如此大的电压差驱动通道内部的电子，在通道中形成了电流。
电流从源电极流向漏电极，因空间受限而形成垂直的电流。
三、VT-FET的优势1.高速：由于VT-FET的电子传输是在垂直方向上实现的，电子速度快，通道内部不会出现盲道等不良作用，因此具有很高的频率响应。
2.高密度：由于通道宽度较窄，可以将大量的器件装配在同一个芯片上，实现高度的集成。
3.低功耗：VT-FET在设计时可以采用较低的电压和电流，从而实现低功耗的运行。
总之，VT-FET是一种新型的晶体管结构，其具有高速、高密度、低功耗等优秀特性，将在未来的半导体器件领域中扮演重要的角色。
mosfet管工作原理
mosfet管工作原理MOSFET管是一种常用的晶体管，其工作原理基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的特性。
MOSFET管以其高速度、低功耗和可靠性等优点，在现代电子器件中得到广泛应用。
本文将从MOSFET 管的结构、工作原理和特性等方面进行详细介绍。
一、MOSFET管的结构MOSFET管的结构主要由源极、漏极、栅极和绝缘层组成。
其中，源极和漏极是两个注入材料的区域，栅极则是一层金属或者多晶硅的薄膜。
绝缘层主要是由氧化硅构成，起到隔离栅极和半导体材料的作用。
二、MOSFET管的工作原理MOSFET管的工作原理基于栅极电压的变化来控制漏极和源极之间的电流。
当栅极电压为零时，绝缘层会阻止电流的流动，此时MOSFET 处于截止状态。
当栅极电压增加，绝缘层会形成一个电场，使得漏极和源极之间形成一个导电通道，电流开始流动，MOSFET处于放大状态。
当栅极电压继续增加，电流也会增加，MOSFET处于饱和状态。
通过调节栅极电压，可以精确地控制MOSFET的导通和截止，从而实现对电流的精确控制。
三、MOSFET管的特性1. 高输入阻抗：MOSFET管的绝缘层能有效地隔离栅极和半导体材料，使得栅极输入电阻非常高，从而减小了对输入信号的负载效应。
2. 低输出阻抗：MOSFET管的漏极和源极之间形成的导电通道具有低阻抗特性，能够输出较大的电流。
3. 高速度：由于MOSFET管的结构简单，电流的流动速度快，因此其响应速度较快。
4. 低功耗：MOSFET管在截止状态时，几乎没有功耗，只有在放大状态时才会有一定的功耗。
5. 可靠性高：MOSFET管的结构简单，且由于绝缘层的存在，能够有效地防止电路短路和漏电现象，提高了器件的可靠性。
四、MOSFET管的应用由于MOSFET管具有高速度、低功耗和可靠性高等特点，因此在现代电子器件中得到了广泛应用。
例如，在数字集成电路中，MOSFET管常用于构建逻辑门电路和存储器单元；在模拟集成电路中，MOSFET 管则用于构建放大器和开关电路等。
第八章 MOS场效应晶体管
VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图
mosfet工作原理
MOS晶体管也称为场效应晶体管（FET），它是集成电路中的绝缘FET。
MOS的全名是金属氧化物半导体。
具体地，该名称描述了集成电路中的MOS晶体管的结构，即，将二氧化硅和金属添加到某个半导体器件中以形成栅极。
可以切换MOS晶体管的源极和漏极，这两个都是在p型背栅中形成的n型区域。
1. MOS晶体管的工作原理MOS晶体管也称为场效应晶体管（FET），它是集成电路中的绝缘FET。
MOS的全名是金属氧化物半导体。
具体地，该名称描述了集成电路中的MOS晶体管的结构，即，将二氧化硅和金属添加到某个半导体器件中以形成栅极。
可以切换MOS晶体管的源极和漏极，这两个都是在p型背栅中形成的n型区域。
在大多数情况下，两个区域是相同的。
即使两端进行了切换，设备的性能也不会受到影响。
MOS晶体管2. MOS晶体管的工作原理-MOS晶体管的结构特性MOS晶体管的内部结构如下图所示；导通时，只有一个极性载流子（多载流子）参与导通，这是一个单极晶体管。
传导机制与低功率MOSFET的传导机制相同，但结构差异很大。
低功率MOSFET是横向导电器件。
大多数功率MOSFET采用垂直导电结构，也称为VMOSFET，可大大提高MOSFET的耐压和电流电阻。
它的主要特点是在金属栅与通道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。
当管打开时，在两个高浓度n扩散区域中形成n型导电通道。
n沟道增强型MOS晶体管必须在栅极上施加正向偏置电压，只有当栅极源极电压大于阈值电压时，才能通过导通沟道来生成n沟道MOS晶体管。
N沟道耗尽型MOSFET是指具有导通沟道而无栅极电压（栅极源极电压为零）的n沟道MOS晶体管。
3. MOS晶体管的工作原理-MOS晶体管的特性3.1mos晶体管的输入输出特性对于具有公共源极连接的电路，源极和基板通过二氧化硅绝缘层隔离，因此栅极电流为0。
当VGSMOS晶体管的特性关于3.2mos晶体管的特性作为开关元件，MOS晶体管还处于截止或导通两种状态。
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。
4.1MOS场效应晶体管结构工作原理
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
N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 4.1。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。
在。
S GD
IDSS
ID /m A
6
D
5 IDSS
+++++++++
SiO2
夹断电压
4
N+
N+
G
B
3
2
P 型衬底
S
1
B
4 3 2 1 U G S (off)
0
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。
从N型区引出电极，一个是漏极
D，一个是源极S。
D
D
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
一层金属铝作为栅极G。
G
B G
B
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
S
S
源极相连，右面的一个没有连接，使
用时需要在外部连接。 动画2-3
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
可变I电D/ 阻m A区
功率场效应晶体管(MOSFET)的工作原理、特性及主要参数
功率场效应晶体管（MOSFET）的工作原理、特性及主要参数功率场效应晶体管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。
其特点是：属于电压型全控器件、栅极静态内阻极高（109Ω）、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等；但MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大，常用于中、小功率开关电路中。
MOSFET的结构和工作原理1.MOSFET的结构MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。
小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片的同一侧。
而MOSFET主要采用立式结构，其3个外引电极与小功率MOS管相同，为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧。
MOSFET的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。
MOSFET的电气符号如图1所示，图1（a）表示N沟道MOSFET，电子流出源极；图1（b）表示P沟道MOSFET，空穴流出源极。
从结构上看，MOSFET还含有一个由S极下的P区和D极下的N区形成的寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是MOSFET的S极和D极，它是与MOSFET不可分割的整体，使MOSFET无反向阻断能力。
图1中所示的虚线部分为寄生二极管。
图1 MOSFET的电气符号2.MOSFET的工作原理（1）当栅源电压uGS=0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源极。
此时，即使在漏源极之间施加电压，MOS管也不会导通。
MOSFET结构示意图如图2（a）所示。
图2 MOSFET结构示意图（2）当栅源电压uGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源极，此时MOS管仍保持关断状态，如图2（b）所示。
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
场效应晶体管的结构工作原理和输出特性场效应晶体管（Field Effect Transistor，缩写为FET）是一种用于放大和开关电路的电子元件。
它具有高输入阻抗、低输出阻抗和较高的增益，使其在电子设备和通信系统中得以广泛应用。
本文将详细介绍场效应晶体管的结构、工作原理和输出特性。
一、场效应晶体管的结构1. MOSFET：MOSFET是栅极金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个由绝缘层隔开的金属栅极、半导体材料（通常为硅）和源/漏极组成。
栅极与绝缘层之间的绝缘层可以是氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。
MOSFET根据绝缘层材料和极性的不同，可分为N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种类型。
2. JFET：JFET是结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor）的简称。
它由一个P型或N型半导体形成的结和源/漏极组成。
P型JFET的源极和漏极为P型半导体，N型JFET的源极和漏极则为N型半导体。
JFET有两种常见的结构类型：沟道型和增强型，分别以n-沟道和p-沟道为特征。
二、场效应晶体管的工作原理1.MOSFET工作原理：(1) NMOS：当栅极电压为正，使NMOS栅极与源极之间的管道有效导通，称为“开通”（On）状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使电子进入N沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或负值时，NMOS处于截止（Off）状态，电子无法流动，漏极电流接近于零。
(2)PMOS：当栅极电压为负值，使PMOS栅极与源极之间的管道导通，称为“开通”状态。
栅极电势改变PN结的反向电场，使空穴进入P沟道并导致漏极电流增加。
当栅极电压为零或正值时，PMOS处于截止状态，空穴无法流动，漏极电流接近于零。
2.JFET工作原理：(1)沟道型JFET：沟道型JFET的栅极电势改变了PN结的反向电场，调节了P沟道中的电子浓度。
MOSFET与IGBT的结构与工作原理
体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，
MOSFET工作在该区。
一、功率场效应晶体管MOSFE电压UDS和漏极电流ID之比近
似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用 而导通时即工作在该区。 在制造功率MOSFET时，为提高跨导并减少导通电阻，在保证所需耐 压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个MOSFET元都要做得 很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器件通过较大的电流， 每个器件由许多个MOSFET元组成。
【项目描述】
直流牵引传动具有调速性能好、控制简单等优点，调节端 电压与励磁，就可以方便地调速。但是由于直流牵引电机防空转 的性能较差，换向器与电刷结构存在一系列缺点，如：等功率下 电动机的体积与重量较大，换向困难，易产生环火与繁杂的维护， 特别是高电压大功率时，换向变得困难，电位条件恶化，使得电 动机的可靠性与稳定性降低。而交流电动机相对直流电机来说优 点更有更明显的优势：没有换向器、结构简单、成本低、工作可 靠、寿命长、维修与运行费用低、防空转性能好等。目前城市轨 道交通车辆普遍采用的是交流异步牵引电动机。
一、功率场效应晶体管MOSFET
（2）功率MOSFET的特性与参数
1）功率MOSFET的特性 ①转移特性 ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为
MOSFET的转移特性。如图4－14（a）所示。从图中可知，ID较时， ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即：
电传动系统主电路一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。 由以下部分组成：受流器、牵引箱（PA）、牵引电机、制 动电阻箱、电抗器、电气开关等。
【项目导入】
图3-1 城轨车辆电气系统示意图 图3-2 城轨车辆交流传动主电路示意图
场效应晶体管
层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以漏极电流
ID仍为零。
场
效
MOS
（2）漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
第 10 页
（a）UDS≈0
（b）UGD＞UGS(th)
（c）UGD＝UGS(th)
在UDS为0或较小时，沟道电阻一定，ID随UDS的增大而线性增大。 当UDS较大，且UGD＞UGS（th）时，靠近漏端的耗尽层变宽，沟道变窄， 出现楔形，沟道电阻增大，ID增大缓慢。
（a）
（b）
第5页
（c）
第6页
场
效
应
晶 体 管
场 效 应
管
的
结
构
1.1
2 N沟道耗尽型MOS管的结构
N沟道耗尽型MOS管的结构如下图（a）所示。它也是在P型硅衬底上形 成一层SiO2薄膜绝缘层，与增强型所不同的是，它在SiO2绝缘层中掺有大量 的正离子，不需要外电场作用，这些正离子所产生的电场也能在P型硅衬底 与绝缘层的交界面上感应出大量或足够多的电子，形成N型导电沟道。N沟 道耗尽型MOS管的电路符号如下图（b）所示，P沟道耗尽型MOS管的电路 符号如下图（c）所示。
（2）漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
当UGS＞UGS（th），且为某一固定值时，在漏极和源极之间加上正电压
UDS，会有ID形成。如下图所示为不同的漏源电压UDS对沟道的影响。根据此
图可得如下关系
UDS＝UDG＋UGS＝－UGD＋UGS
第4讲晶体三极管及场效应管
2. 绝缘栅型场效应管
增强型管
大到一定 值才开启
高掺杂 耗尽层 空穴
衬底 SiO2绝缘层
反型层
uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当 反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。
动画演示
增强型MOS管uDS对iD的影响
刚出现夹断
iD随uDS的增 大而增大，可
uGD＝UGS（th）, 预夹断
变电阻区
夹断 电压
在恒流区iD时 ID， O(UuGGSS(th)1)2 式中 IDO为uGS2UGS(t时 h) 的 iD
3. 场效应管的分类 工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性
结型PN沟 沟道 道((uuGGS＞ S＜00， ，uuDDS＜ S＞00)) 场效应管 绝缘栅型 耗 增尽 强型 型 PPN N沟 沟 沟 沟道 道 道 道((((uuuuG GG GSS＜ 极 SS＞ 极00， 性 ， 性uu任 D任 DS＜ S＞ 意 意 00)u)u， ， DDS＜ S＞00))
区
区
低频跨导：
夹断区（截止区）
iD几乎仅决 定于uGS
击 穿 区
夹断电压
gm
iD uGS
UDS常量
不同型号的管子UGS（off）、IDSS 将不同。
动画演示Байду номын сангаас
（1）可变电阻区
i
是uDS较小，管子尚未预夹断时
的工作区域。虚线为不同uGS是预夹
断点的轨迹，故虚线上各点
uGD=UGS(off)，则虚线上各点对应的 uDS=uGS-UGS(off)。
uDS的增大几乎全部用 来克服夹断区的电阻
iD几乎仅仅 受控于uGS，恒 流区
用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N 沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？
场效应晶体管的p型和n型结构
场效应晶体管的p型和n型结构P型和N型场效应晶体管的结构和工作原理场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种利用电场效应来控制沟道电阻和电流的半导体器件，属于电压控制型器件，具有输入电阻高、噪声低、功耗低、动态范围大、易于集成等优点。
场效应晶体管根据沟道的载流子类型和栅极的结构，可以分为P型和N型两种，本文将介绍它们的结构和工作原理，主要包括以下几个方面：- P型和N型场效应晶体管的结构特点；- P型和N型场效应晶体管的工作模式和状态；- P型和N型场效应晶体管的输出特性和转移特性；- P型和N型场效应晶体管的应用领域和优缺点。
一、P型和N型场效应晶体管的结构特点P型和N型场效应晶体管的结构特点主要取决于它们的沟道和栅极的材料和形式。
沟道是连接源极和漏极的半导体区域，栅极是控制沟道电阻和电流的电极，通常与沟道之间有一层绝缘层隔开。
根据沟道的载流子类型，可以将场效应晶体管分为P型和N型两种，如图1所示。
P型场效应晶体管的沟道是P型半导体，载流子是空穴，源极和漏极是N型半导体，形成两个PN结。
栅极可以是金属或多晶硅，与沟道之间有一层氧化硅绝缘层。
当栅极加正电压时，沟道中的空穴被排斥，沟道变窄，电流减小；当栅极加负电压时，沟道中的空穴被吸引，沟道变宽，电流增大。
因此，P型场效应晶体管是正向控制的。
N型场效应晶体管的沟道是N型半导体，载流子是电子，源极和漏极是P型半导体，形成两个PN结。
栅极可以是金属或多晶硅，与沟道之间有一层氧化硅绝缘层。
当栅极加正电压时，沟道中的电子被吸引，沟道变宽，电流增大；当栅极加负电压时，沟道中的电子被排斥，沟道变窄，电流减小。
因此，N型场效应晶体管是反向控制的。
二、P型和N型场效应晶体管的工作模式和状态P型和N型场效应晶体管的工作模式和状态主要取决于它们的栅极电压和漏极电压的大小和方向。
根据栅极电压是否达到开启沟道的阈值电压，可以将场效应晶体管分为增强型和耗尽型两种，如图2所示。
4.1_MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
B
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
S
源极相连，右面的一个没有连接，使
用时需要在外部连接。 动画2-3
4.1.2 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。
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 ID/ m A
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
U DS 10V
压UGS对漏极电流ID的控制关系，可
4
用这个关系式来表达，这条特性曲线
S iO 2
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）
B
从N型区引出电极，一个是漏极
D，一个是源极S。
D
B
G
G
精选可编辑ppt
S
7
D
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
一层金属铝作为栅极G。
⑥ 最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。
精选可编辑ppt
25
(2)场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与 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沟道场效应三管。
功率场效应晶体管(MOSFET)原理及其驱动
功率场效应晶体管(MOSFET)原理功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。
U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
{{分页}}1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
MOS场效应晶体管ppt课件
16
2. MOS管的基本工作原理
MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
17
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
18
2. N沟耗尽型MOS管及转移特性 3.P沟增强型MOS管及转移特性
理想 MOS 二极管不同 偏压下的能带图及 电荷分布
a) 积累现象 b) 耗尽现象 c) 反型现象
3
2.表面势与表面耗尽区 下图给出了P型半导体MOS结构在栅极电压UG>>0情况 下更为详细的能带图。
4
在下面的讨论中，定义与费米能级相对应的费米势为
F
(Ei
EF )体内 q
因此，对于P型半导体， F
如图所示，当漏源电压UDS增高到某一值时，漏源电流 就会突然增大，输出特性曲线向上翘起而进入击穿区。 关于击穿原因，可用两种不同的击穿机理进行解释：漏 区与衬底之间PN结的雪崩击穿和漏-源之间的穿通。
41
1. 漏区-衬底之间的PN结击穿 在MOS晶体管结构中，栅极金属有一部分要覆盖在漏极上。 由于金属栅的电压一般低于漏区的电位，这就在金属栅极 与漏区之间形成附加电场，这个电场使栅极下面PN结的耗 尽区电场增大，如下图，因而使漏源耐压大大降低。
a) N 沟 MOS b) P 沟 MOS
29
3. 衬底杂质浓度的影响
衬底杂质浓度对阀值电压的影响
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4. 功函数差的影响
功函数差也将随衬底杂质浓度的变化而变化。但实验证明， 该变化的范围并不大。 从阀值电压的表示式可知，功函数越大，阀值电压越高。 为降低阀值电压，应选择功函数差较低的材料，如掺杂多 晶体硅作栅电极。
MOSFET结构及其工作原理
MOSFET结构及其工作原理1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS 型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR， 但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率mos管相同，但 结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET 大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
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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。
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
6
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
此又称空间电荷区为耗尽层。
7
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。
8
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
空空间间电电荷荷区区
－－－ －－
+
+
+
++
P区 － － － － －
－－－ －－
+ +
+ +
N区 + + +
+ ++
－－－ －－
+
+
+
++
根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度 高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正
4
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。
本征激发产生电子空穴对
2
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。
3
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。
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。
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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。
负空间电荷区（如上图所示），也就是PN结，又叫耗尽层。
9
扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结
多子 扩散
阻止
形成空间电荷区 产生内电场
促使 少子
漂移
P区
N区
＋ ＋＋
＋ ＋＋
＋ ＋＋
载流子的扩散运动
P 区 空间电荷区
N区
＋＋ ＋
＋＋ ＋ ＋＋ ＋
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
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 1
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。
目录：
1. 半导体材料简介 2. 场效应管简介 3. 场效应管分类 4. N沟道增强型MOS场效应管工作原理 5. N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理 6. 各种场效应的特性曲线 7. 场效应管与双极型晶体管比较 8. 场效应管的各项参数 9. 场效应管的命名规范
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
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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