4.1 MOS场效应晶体管的结构 工作原理

O
1 2 3 4
U GS /V
Uth(on)
∆I D gm = ∆U GS
U DS = const
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。
工作原理
P沟道增强型MOSFET的结构和
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。
关于场效应管符号的说明：
D G S
N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。
S
G
D
N+
N+
SiO2
P 型衬底 B
D G S
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。
B
G S
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 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 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 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
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 /V
U GS(th)
4 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。 ID /mA IDSS S G D
2．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， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极 ID 和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。 预夹断 所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个 D 倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。
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。
4.1 MOS场效应晶体管的结构、工作原理
场效应晶体管有二种结构形式： 1.绝缘栅型场效应晶体管 又分增强型和耗尽型二类 2.结型场效应晶体管----只有耗尽型 场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝 缘栅场效应晶体管(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 双极型晶体管只有NPN和PNP两类，场效应晶体 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沟道场效应晶体管为例 来加以说明。
D
D
D
B
G S
B
G S
B
G S
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。
6 5 4 3 2 1
UGS(off) − 4 − 3 − 2 −1 0
D
+++++++++ N+ N+
I DSS
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。
S iO2
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。 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。
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
动画2-5 动画
3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线
U DS=0 DS＞0 U GS S G
++
N+
பைடு நூலகம்
D反型层
++
S iO 2
N+
P 型衬底
空穴 电子 正离子 负离子
显然改变U 显然改变 GS 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电 就会改变沟道， 就会改变沟道， 压UGS以后并不断增加。 从而影响I 从而影响 D ， UGS 这说明UGS对ID 这说明 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， 的控制作用。 的控制作用。 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 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。 UDS ，就会有漏极电流ID产生。动画 动画2-4
图4.1 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画）
1 N沟道增强型MOSFET的结构
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。
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
I D/ mA
U DS = 10V
4 3 2 1
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 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。
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 （5）过损耗区
+ 4V
恒流区
O
5 10 15
截止区
+ 3..5V +3V U GS = 2V U DS /V
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