晶体管结构与作用
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特性
a) Vg = 0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流通过。 b) Vg > 0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道）
，源极与漏 极连通，电流通过。
引出栅极（Vg）
N型隧道（电子隧道） gate
SiO2 绝缘膜
引出源极（Vs ）
source
多晶体-Si栅极
引出漏极（Vd） drain
● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴
掺杂物半导体
N型半导体：
向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 5 的N族元素，则可获得自由电子，而 成为N（Negative）型半导体。 N型半导体 的导电性主要靠自由电子的移动来完成。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
P型半导体：
向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 3 的B族元素，则可产生空穴，而成为P （Positive）型半导体。 P型半导体的导电 性主要靠空孔的的移动来完成。
本征半导体： 纯净的单元素半导体硅、锗，以及等
价化合物半导体GaAs、GaN等。 本征半导体的导电机理：
在温度非常低的条件下，最外层价电 子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴 存在。故本征半导体在低温下的电阻率很 高，变为绝缘体。
在受热或光照射的条件下，价电子被 激发而成为自由电子，同时产生等数量的 带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在 外界电场的作用下移动而形成电流。
光 至电 转换
光发电原理：光子照射到PN节，产生电流，产生电力
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
光伏太阳能电池
LED照明
场效应晶体管（MOSFET）
• 场效应晶体管 • 低电压和低功耗。 • 结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物型场效应
晶体管（MOSFET）
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
NMOS型场效应三极管
引出栅极（Vg）
P型隧道（空孔隧道） gate
SiO2 绝缘膜
引出源极（Vs）
引出漏极（Vd）
Vg
source
多晶体-Si栅极
drain
P-Si 源极
N-Si
P-Si 漏极
Vs
Vd
Vsub
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
基极（Vsub） substrate
场效应晶体管——NMOS的结构
芯片上的实际NMOS结构
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
PN结的电流特性
降伏电压
逆向 电压
正向
正极
电流
P-Si
N-Si
正向电压
负极 芯片上二极管的构造
正极
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
降伏电流 逆向电流
负极
二极管的标记
PN结的应用
电流整流器
偏置隔离
电 至光 转换
电发光原理：正负电在半导 体P-N节处相遇 ，产生光子 而发光
● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴
PN结与二极管的特性与构造
PN结：PN Junction,
二极管：Diode
电子的移动方向 空穴的移动方向
电子 空穴
电子 空穴
整流特性：
当向PN结由P向N方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空 乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空 穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性。
晶体管结构与作用
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月14日星期二
主要内容
• 半导体基础知识 • MOSFET晶体管结构和工作原理 • 晶体管应用举例
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
导体、半导体、绝缘体
单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为
4的C族元素
化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等 ，
b) 当输入电压高时， NMOS导通， PMOS不导通，输出电压为低0V， 表现为[0]。
输 入
NMOS
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
输
输出 出电
压
CMOS的输入输出特性
5 4 3 2 1
Vs
1 2 3 4 5 输入电压
CMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管
• 将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化 物半导体技术，也就是CMOS技术
• 主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路
P-well
Metal 1
Polycide gate and local
Mientatl e1,rAclCounnection
W
PMD
n+
n+
STI
p+
p+
P-Well
N-Well
P-Epi
P-Wafer
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
CMOS Inverter
两个pn结偏置状态相反 沟道由反型层构成，与源漏形成通路
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
场效应晶体管工作原理
+
0.7 volts
NMOS
Vgs
++++ ++++
N+
----------
N+
P
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
3 volts
-
Vds
场效应晶体管工作原理
NMOS电流电压特性
• 线性区，MOSFET象电阻，电阻受栅电压控制 • 饱和区，MOSFE象电流源，电流大小与VG2有关
一般由B和N族组成的化合物 。
氧 、电化 阻物 率半 的导 影体 响： 因Z素n：O、杂M质n、O温2、度M、n光O、、C结r构2O缺3 陷
导体（金属NiO、TiO2半、C导u2体O、SnO2等
）
铜Baidu Nhomakorabea
硅
铁 锗
绝缘体
大理石 玻璃 橡胶
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
电阻率
本征半导体
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
N-Si 源极
N-Si 漏极
Vs
P-Si
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
基极（Vsub） substrate
Vg
Vd Vsub
PMOS型场效应三极管
特性
1. 与NMOS动作相反，当Vg ＜ 0 ，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成空 孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。
2. 由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。 电子迁移率=1350cm2/V·S， 空孔迁移率= 480cm2/V·S
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
场效应晶体管工作原理
栅 的 作 用 类 似 与 水 闸 的 闸 门
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
CMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管
CMOS：Complemetary Metal-Oxide Semiconductor
PMOS
5V Vs
a) 当输入电压低时，NMOS不导通， PMOS导通，输出电压为高5V，表 现为[1]。
N-well
CMOS应用例1：反相器
PMOS
5V Vd
Off on
10
a) Vg = 0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流通过。 b) Vg > 0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道）
，源极与漏 极连通，电流通过。
引出栅极（Vg）
N型隧道（电子隧道） gate
SiO2 绝缘膜
引出源极（Vs ）
source
多晶体-Si栅极
引出漏极（Vd） drain
● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴
掺杂物半导体
N型半导体：
向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 5 的N族元素，则可获得自由电子，而 成为N（Negative）型半导体。 N型半导体 的导电性主要靠自由电子的移动来完成。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
P型半导体：
向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 3 的B族元素，则可产生空穴，而成为P （Positive）型半导体。 P型半导体的导电 性主要靠空孔的的移动来完成。
本征半导体： 纯净的单元素半导体硅、锗，以及等
价化合物半导体GaAs、GaN等。 本征半导体的导电机理：
在温度非常低的条件下，最外层价电 子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴 存在。故本征半导体在低温下的电阻率很 高，变为绝缘体。
在受热或光照射的条件下，价电子被 激发而成为自由电子，同时产生等数量的 带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在 外界电场的作用下移动而形成电流。
光 至电 转换
光发电原理：光子照射到PN节，产生电流，产生电力
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
光伏太阳能电池
LED照明
场效应晶体管（MOSFET）
• 场效应晶体管 • 低电压和低功耗。 • 结型场效应晶体管（JFET）和金属-氧化物型场效应
晶体管（MOSFET）
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NMOS型场效应三极管
引出栅极（Vg）
P型隧道（空孔隧道） gate
SiO2 绝缘膜
引出源极（Vs）
引出漏极（Vd）
Vg
source
多晶体-Si栅极
drain
P-Si 源极
N-Si
P-Si 漏极
Vs
Vd
Vsub
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
基极（Vsub） substrate
场效应晶体管——NMOS的结构
芯片上的实际NMOS结构
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
PN结的电流特性
降伏电压
逆向 电压
正向
正极
电流
P-Si
N-Si
正向电压
负极 芯片上二极管的构造
正极
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
降伏电流 逆向电流
负极
二极管的标记
PN结的应用
电流整流器
偏置隔离
电 至光 转换
电发光原理：正负电在半导 体P-N节处相遇 ，产生光子 而发光
● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴
PN结与二极管的特性与构造
PN结：PN Junction,
二极管：Diode
电子的移动方向 空穴的移动方向
电子 空穴
电子 空穴
整流特性：
当向PN结由P向N方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空 乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空 穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性。
晶体管结构与作用
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2020年4月14日星期二
主要内容
• 半导体基础知识 • MOSFET晶体管结构和工作原理 • 晶体管应用举例
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
导体、半导体、绝缘体
单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为
4的C族元素
化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等 ，
b) 当输入电压高时， NMOS导通， PMOS不导通，输出电压为低0V， 表现为[0]。
输 入
NMOS
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
输
输出 出电
压
CMOS的输入输出特性
5 4 3 2 1
Vs
1 2 3 4 5 输入电压
CMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管
• 将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化 物半导体技术，也就是CMOS技术
• 主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路
P-well
Metal 1
Polycide gate and local
Mientatl e1,rAclCounnection
W
PMD
n+
n+
STI
p+
p+
P-Well
N-Well
P-Epi
P-Wafer
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
CMOS Inverter
两个pn结偏置状态相反 沟道由反型层构成，与源漏形成通路
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
场效应晶体管工作原理
+
0.7 volts
NMOS
Vgs
++++ ++++
N+
----------
N+
P
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
3 volts
-
Vds
场效应晶体管工作原理
NMOS电流电压特性
• 线性区，MOSFET象电阻，电阻受栅电压控制 • 饱和区，MOSFE象电流源，电流大小与VG2有关
一般由B和N族组成的化合物 。
氧 、电化 阻物 率半 的导 影体 响： 因Z素n：O、杂M质n、O温2、度M、n光O、、C结r构2O缺3 陷
导体（金属NiO、TiO2半、C导u2体O、SnO2等
）
铜Baidu Nhomakorabea
硅
铁 锗
绝缘体
大理石 玻璃 橡胶
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
电阻率
本征半导体
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
N-Si 源极
N-Si 漏极
Vs
P-Si
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
基极（Vsub） substrate
Vg
Vd Vsub
PMOS型场效应三极管
特性
1. 与NMOS动作相反，当Vg ＜ 0 ，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成空 孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。
2. 由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。 电子迁移率=1350cm2/V·S， 空孔迁移率= 480cm2/V·S
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
场效应晶体管工作原理
栅 的 作 用 类 似 与 水 闸 的 闸 门
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
CMOS型晶体管—并联式MOS型场效应管
CMOS：Complemetary Metal-Oxide Semiconductor
PMOS
5V Vs
a) 当输入电压低时，NMOS不导通， PMOS导通，输出电压为高5V，表 现为[1]。
N-well
CMOS应用例1：反相器
PMOS
5V Vd
Off on
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