MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)介紹

1、FET基礎(chǔ)知識(shí)及電參數(shù)測(cè)試介紹基礎(chǔ)知識(shí)及電參數(shù)測(cè)試介紹場(chǎng)效應(yīng)三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱(chēng)為電流的三極管，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管，也稱(chēng)，也稱(chēng)單極型三極管單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)特點(diǎn)單極型器件單極型器件( (一種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電) )； 輸入電阻高；輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。DSGN符符號(hào)號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)圖圖 1 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)

2、管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+P P 型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層( (PN 結(jié)結(jié)) )在漏極和源極之間加在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，上一個(gè)正向電壓，N型半型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是導(dǎo)電溝道是N型的，型的，稱(chēng)稱(chēng)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖圖 2P 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型型溝溝道道GSD P溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在 P型型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)型區(qū)(N+),導(dǎo)電溝道為導(dǎo)電溝道為P型

3、型，多數(shù)載流子為空穴。，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)符號(hào)GDS二、工作原理二、工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS 大小來(lái)控制漏極電流大小來(lái)控制漏極電流 ID 的的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層在柵極和源極之間加反在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏道本身的電阻值增大，漏極電流極電流 ID 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 ID 電流將增加。電流將增加。 耗盡層的寬度改變主耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。要在溝道區(qū)。二、工作原理二、工作原理N溝道結(jié)

4、型場(chǎng)效應(yīng)管用改變溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS 大小來(lái)控制漏極電流大小來(lái)控制漏極電流 ID 的的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層*在柵極和源極之間加反在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏道本身的電阻值增大，漏極電流極電流 ID 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 ID 電流將增加。電流將增加。 * *耗盡層的寬度改變耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。主要在溝道區(qū)。1. 設(shè)設(shè)UDS = 0 ，在柵源之間加負(fù)電源，在柵源之間加負(fù)電源 VGG，改變，改變 VGG 大小。觀察耗盡層

5、的變化。大小。觀察耗盡層的變化。ID = 0GDSN型型溝溝道道P+P+ (a) UGS = 0UGS=0時(shí)，耗盡時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬電溝比較寬UGS由零逐漸增大，由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)當(dāng)UGS=UGS(off），），耗耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷，夾斷電壓被夾斷，夾斷電壓 UGS(off) 為負(fù)值。為負(fù)值。ID = 0GDSP+P+N型型溝溝道道 (b) UGS 0，在柵源間加負(fù)，在柵源間加負(fù)電源電源 VGG，觀察，觀察 UGS 變化時(shí)耗盡層和漏極變化時(shí)耗盡層和漏極 ID 。UGS=0,UDG ，

6、 ID 較大較大。GS(off)UGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS0，UDG 0 時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。( (a) )( (b) )GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off) |, ID 0,夾斷夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1) 改變改變 UGS ，改變了改變了 PN 結(jié)中電場(chǎng)，控制了結(jié)中電場(chǎng)，控制了 ID ，故稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)，故稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管；管； (2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸

7、入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線三、特性曲線1. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)常常數(shù)數(shù) DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUGS(off)圖圖5 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈負(fù)，愈負(fù)，ID 愈?。挥?；UGS = UGS(off)，ID 0。兩個(gè)重要參數(shù)兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的時(shí)的ID)夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) (ID=0時(shí)的時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖4 特性曲線測(cè)試電路特性曲線測(cè)試電路+ + mA1. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性O(shè)

8、uGS/VID/mAIDSSUGS(off)圖圖 6轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性2. 漏極特性漏極特性當(dāng)柵源當(dāng)柵源 之間的電壓之間的電壓 UGS 不變時(shí)，漏極電流不變時(shí)，漏極電流 ID 與漏源與漏源之間電壓之間電壓 UDS 的關(guān)系，即的關(guān)系，即 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：性曲線的近似公式：常數(shù)常數(shù) GS)(DSDUUfI)0( )1 (GS)(2)(GSDSSD時(shí)當(dāng)UUUUIIoffGSoffGS IDSS/V)(GSDSoffGSUUUID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8)(offGSU預(yù)夾斷軌跡預(yù)

9、夾斷軌跡恒流區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū) 可變可變電阻區(qū)電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2. 漏極特性漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖 7特性曲線測(cè)試電路特性曲線測(cè)試電路+ + mA圖圖 8漏極特性漏極特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS = 常數(shù)常數(shù)ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4

10、V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)可達(dá) 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖圖 9在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管 由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱(chēng)為金屬由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱(chēng)為金屬-氧化物氧化物-半半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng) MOS 場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)特點(diǎn)：輸入電

11、阻可達(dá) 109 以上。以上。類(lèi)型類(lèi)型N 溝道溝道P 溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型UGS = 0 時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS = 0 時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。一、一、N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)P 型襯底型襯底N+N+BGSDSiO2源極源極 S漏極漏極 D襯底引線襯底引線 B柵極柵極 G圖圖 10N 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2. 工作原理工作原理 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)

12、管利用UGS來(lái)控制來(lái)控制“感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷”的多少，的多少，改變由這些改變由這些“感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流漏極電流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS = 0 漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的背的 PN 結(jié)，無(wú)論漏源之間加何結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電。SBD圖圖 11(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流漏極形成電流 ID 。b. UDS=UGS UGS(th)， UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)

13、靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c. UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，溝道兩端電壓基本不變，ID 因而基本不變。因而基本不變。a. UDS UGS(th)P 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)夾斷區(qū)DP型襯底型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)夾斷

14、區(qū)圖圖 12UDS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a) UGD UGS(th)(b)UGD= UGS(th)(c)UGD UGS(th)3. 特性曲線特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VO)(GSthGSUU預(yù)夾斷軌跡預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū) 可變可變電阻區(qū)電阻區(qū)UGS UGS(th) 時(shí)時(shí))三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)恒流區(qū)( (或飽和區(qū)或飽和區(qū)) )、擊穿區(qū)。、擊穿區(qū)。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAO圖圖 13圖圖 14二、二、N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底型襯

15、底N+N+BGSD+制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在這些正離子電場(chǎng)在 P 型襯底中型襯底中“感應(yīng)感應(yīng)”負(fù)電荷，形成負(fù)電荷，形成“反反型層型層”。即使。即使 UGS = 0 也會(huì)形成也會(huì)形成 N 型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)電溝道。+UGS=0，UDS0，產(chǎn)生，產(chǎn)生較大的漏極電流；較大的漏極電流；UGS 0；UGS 正、負(fù)、正、負(fù)、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IDSS圖圖 1.4.15MOS 管的符號(hào)管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=

16、0 3 V 1 V 2 V432151015 20圖圖 16特性曲線特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS2. 夾斷電壓夾斷電壓 UGS(off)/開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓 UGS(th)3. 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS 輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在 107 以上，絕以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于 109 。二、交流參數(shù)二、交流參數(shù)1. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) gm2. 極間電容極間電容 用以描述柵源之間的電壓用以描述柵源之間的電壓 UGS 對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流 ID 的控

17、的控制作用。制作用。常常數(shù)數(shù) DSGSDmUUIg單位：?jiǎn)挝唬篒D 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西門(mén)子毫西門(mén)子(mS) 這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。一般為幾個(gè)皮法。三、極限參數(shù)三、極限參數(shù)1. 漏極最大允許耗散功率漏極最大允許耗散功率 PDM2. 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 U(BR)DS3. 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U(BR)GS 漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流當(dāng)漏極電流 ID 急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的 UDS 。 場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，若結(jié)處于反偏狀態(tài)，若UGSU(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類(lèi)似，屬于破壞性擊穿況類(lèi)似，屬于破壞性擊穿。種種 類(lèi)類(lèi)符符 號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性漏極特性漏極特性 結(jié)型結(jié)型N 溝道溝道耗耗盡盡型型 結(jié)型結(jié)型P 溝道溝道耗耗盡盡型型 絕緣絕緣柵型柵型 N 溝道溝道增增強(qiáng)強(qiáng)型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBU