4.1_MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性解析
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I D/ mA 可变电阻区
MOSFET相比双极型晶体管的优点
（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而 场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧； （2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电 流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声； （3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路； （4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易 随温度而变化。 （5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是 由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子 寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。
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。
P 型衬底 B
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。
D
D G S
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2-3
++
N+
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UGS 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电 就会改变沟道， 压 UGS以后并不断增加。 从而影响 ID ， UGS 这说明 U带给栅极正电荷，会将正对 GS对ID SiO2 层的表面下的衬底中的空穴推走， 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2-4
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
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Baidu Nhomakorabea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
U DS 10V
4 3 2 1
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。
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。 1．栅源电压UGS的控制作用
UDS ＞ = 00 DS
U GS S G
图4.1 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）
如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟 MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成 CMOS 。
4.1.1 N沟道增强型MOSFET的结构
S
G
D
N+
N+
SiO2
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。
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 02.13。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。
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。
第４章 MOS 场效应晶体管 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。
场效应晶体管的分类 第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为 绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体 衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属－氧化物－ 半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应 管中最重要的一种； 第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒 电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管； 第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理 和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工 艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体金属蒸发在绝缘衬底上而构成。
MOSFET相比双极型晶体管的优点
（1）输入阻抗高：双极型晶体管输入阻抗约为几千欧，而 场效应晶体管的输入阻抗可以达到109～1015欧； （2）噪声系数小：因为MOSFET是依靠多数载流子输运电 流的，所以不存在双极型晶体管中的散粒噪声和配分噪声； （3）功耗小：可用于制造高集成密度的半导体集成电路； （4）温度稳定性好：因为它是多子器件，其电学参数不易 随温度而变化。 （5）抗辐射能力强：双极型晶体管受辐射后β下降，这是 由于非平衡少子寿命降低，而场效应晶体管的特性与载流子 寿命关系不大，因此抗辐射性能较好。
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。
P 型衬底 B
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。
D
D G S
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2-3
++
N+
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UGS 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电 就会改变沟道， 压 UGS以后并不断增加。 从而影响 ID ， UGS 这说明 U带给栅极正电荷，会将正对 GS对ID SiO2 层的表面下的衬底中的空穴推走， 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2-4
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
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Baidu Nhomakorabea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
U DS 10V
4 3 2 1
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。
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。 1．栅源电压UGS的控制作用
UDS ＞ = 00 DS
U GS S G
图4.1 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3）
如果在同一N型衬底上同时制造P沟MOS管和N沟 MOS管，（N沟MOS管制作在P阱内），这就构成 CMOS 。
4.1.1 N沟道增强型MOSFET的结构
S
G
D
N+
N+
SiO2
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。
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 02.13。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。
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。
第４章 MOS 场效应晶体管 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。
场效应晶体管的分类 第一类：表面场效应管，通常采取绝缘栅的形式，称为 绝缘栅场效应管（IGFET）。若用二氧化硅作为半导体 衬底与金属栅之间的绝缘层，即构成“金属－氧化物－ 半导体”（MOS）场效应晶体管，它是绝缘栅场效应 管中最重要的一种； 第二类：结型场效应管（JFET），它就是用P-N结势垒 电场来控制导电能力的一种体内场效应晶体管； 第三类：薄膜场效应晶体管（TFT），它的结构与原理 和绝缘栅场效应晶体管相似，其差别是所用的材料及工 艺不同，TFT采用真空蒸发工艺先后将半导体-绝缘体金属蒸发在绝缘衬底上而构成。