電子技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目化教程課件 項(xiàng)目一 半導(dǎo)體器件的認(rèn)識(shí) 1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.4拓展知識(shí)1.4.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管下頁(yè)總目錄

場(chǎng)效應(yīng)晶體管又叫單極型半導(dǎo)體晶體管（簡(jiǎn)稱FET），它具有輸入電阻高，另外還具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，分成兩類：金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）(簡(jiǎn)稱MOSFET)和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（簡(jiǎn)稱JFET）。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管根據(jù)制造工藝和材料的不同，又分為N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管和P溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1.4.3場(chǎng)效應(yīng)晶體管下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)1.MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管按工作方式，又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類。這里以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，討論MOS管的有關(guān)特性。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（1）N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1－32(a)所示，它的制造工藝是：以一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，然后利用擴(kuò)散的方法在襯底的兩側(cè)形成摻雜濃度比較高的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別是源極（S）和漏極（D），然后在硅片表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）的絕緣層，然后在漏源之間的絕緣層表面再用金屬鋁引出一個(gè)電極作為柵極（G），另外從襯底引出襯底引線B。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

可見(jiàn)這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成，所以簡(jiǎn)稱為MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，源極和漏極可以交換使用。但再實(shí)際應(yīng)用中，通常源極和襯底引線B相連（此時(shí)S和D不能交換使用）。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

如果以N型硅片作為襯底，可制成P溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。N溝道和P溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)分別如圖1－32(b)和(c)所示，圖中襯底B的方向始終是PN結(jié)加正偏電壓時(shí)正向電流的方向。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2)工作原理N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管正常工作時(shí)，柵源之間加正向電壓uGS，漏源之間加正向電壓uDS，并將源極和襯底相連。襯底是電路中的最低電位。

①柵源間電壓uGS對(duì)iD的控制

當(dāng)柵源間無(wú)外加電壓時(shí)，由于漏源間不存在導(dǎo)電溝道，所以無(wú)論在漏源間無(wú)論加上何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

當(dāng)在柵源間外加正向電壓uGS時(shí)，外加的正向電壓在柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中產(chǎn)生了由柵極指向襯底的電場(chǎng)，該強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)使靠近SiO2一側(cè)P型硅中的多子（空穴）受到排斥而向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而在表面留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，形成耗盡層。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

這時(shí)，如果在漏源間加上電壓，就會(huì)有漏極電流產(chǎn)生，如圖1－34(a)所示。人們將開(kāi)始形成反型層所需的uGS值稱為開(kāi)啟電壓，用UGS(th)表示。顯然，柵源電壓uGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)越強(qiáng)，被吸引到反型層中的電子愈多，溝道愈厚，相應(yīng)的溝道電阻就愈小。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

可見(jiàn)，這種場(chǎng)效應(yīng)晶體管uGS=0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，只有uGS>UGS(th)才有導(dǎo)電溝道。其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1－34(b)所示，可近似用下式表示IDO是uGS＝2UGS(th)時(shí)的iD

的電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

②漏源電壓

對(duì)溝道的影響

iD流經(jīng)溝道產(chǎn)生壓降，使得柵極與溝道中各點(diǎn)的電位不再相等，也就是加在“平板電容器”上的電壓將沿著溝道產(chǎn)生變化，導(dǎo)電溝道從等寬到不等寬，呈楔形分布。當(dāng)uGS>UGS(th)且為某一定值，如果在漏源間加上正向電壓uDS，uDS將在溝道中產(chǎn)生自漏極指向源極的電場(chǎng)，該電場(chǎng)使得N溝道中的多數(shù)載流子電子沿著溝道從源極漂移到漏極形成漏極電流iD。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

其特性曲線如圖1－35所示。從圖中可以看出，管子的工作狀態(tài)可分為可變電阻區(qū)、放大區(qū)和截止區(qū)這三個(gè)區(qū)域。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)圖1－35增強(qiáng)型NMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線

可變電阻區(qū)：這是uDS較小的區(qū)域，但uGS為一定值時(shí)，

與uDS成線性關(guān)系，其相應(yīng)直線的斜率受uGS控制，這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管D、S間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uGS控制的可變電阻，其阻值為相應(yīng)直線斜率的倒數(shù)。

放大區(qū)：這是uDS＞uGS-UGS(th),場(chǎng)效應(yīng)晶體管夾斷后對(duì)于的區(qū)域，其特點(diǎn)是曲線近似為一簇平行于uDS軸的直線，iD僅受uGS控制而與uDS基本無(wú)關(guān)。在這一區(qū)域，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的D、S之間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uDS控制的電流源，所以也稱為恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管用于放大電路時(shí)，一般就工作于該區(qū)域。

截止區(qū)：指uGS<UGS(th)的區(qū)域，這時(shí)導(dǎo)電溝道消失，iD=0，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（2）N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖1－36(a)所示，符號(hào)如圖1－36(b)所示。N溝道耗盡型MOS管在制造時(shí)，在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子。這些正離子的存在，使得uGS=0時(shí)，就有垂直電場(chǎng)進(jìn)入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表面而形成N型導(dǎo)電溝道。

如果在柵源之間加負(fù)電壓，uGS所產(chǎn)生的外電場(chǎng)削弱正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)，使得溝道變窄，電流iD減小，反之則電流iD增大。故這種管子的柵壓uGS可以是正的，也可以是負(fù)的。改變uGS就可以改變溝道寬窄，從而控制漏極電流iD。其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1－37(b)所示，iD=0時(shí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止，此時(shí)導(dǎo)電溝道消失的柵源電壓稱為夾斷電壓，用UGS(off)

來(lái)表示。其中轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用下式表示:式中，IDSS是uGS＝0時(shí)的iD

的電流，稱為漏極飽和電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)圖1－37耗盡型NMOS管的特性曲線2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管同MOS管一樣，也是電壓控制器件，但它的結(jié)構(gòu)和工作原理與MOS管是不同的。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖1－38(a)和(b)所示。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)圖1－38N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)

晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)

它是以N型半導(dǎo)體作為襯底，在其兩側(cè)形成摻雜濃度比較高的P區(qū)，從而形成兩個(gè)PN結(jié)，從兩邊的P型半導(dǎo)體引出的兩個(gè)電極并聯(lián)在一起，作為柵極（G），在N型襯底的兩端各引出一個(gè)電極，分別是源極（S）和漏極（D），兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道，它是漏、源之間電子流通的路徑，因此導(dǎo)電溝道是N型的，所以稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作時(shí)，要求PN結(jié)反向偏置。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（2）工作原理

當(dāng)漏源間短路，柵源間外加負(fù)向電壓uGS時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的兩個(gè)PN結(jié)均處反偏狀態(tài)。隨著uGS負(fù)向增大，加在PN結(jié)上的反向偏置電壓增大，則耗盡層加寬。由于N溝道摻雜濃度較低，故耗盡層主要集中在溝道一側(cè)。耗盡層加寬，使得溝道變窄，溝道電阻增大，如圖1－39所示。圖1－39時(shí)N溝道結(jié)型效應(yīng)管被夾斷

當(dāng)uGS負(fù)向增大到某一值后，PN結(jié)兩側(cè)的耗盡層向內(nèi)擴(kuò)展到彼此相遇，溝道被完全夾斷，此時(shí)漏源間的電阻將趨于無(wú)窮大，相應(yīng)此時(shí)的漏源間電壓uGS稱為夾斷電壓，用UGS(off))表示。iD與uGS的關(guān)系可近似用下式來(lái)表示：式中，IDSS為uGS＝0的漏極飽和電流。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

由以上分析可知，改變柵源電壓uGS的大小，就能改變導(dǎo)電溝道的寬窄，也就能改變溝道電阻的大小。如果在漏極和源極之間接入一個(gè)適當(dāng)大小的正電壓VDD，則N型導(dǎo)電溝道中的多數(shù)載流子（電子）便從源極通過(guò)導(dǎo)電溝道向漏極作飄移運(yùn)動(dòng)，從而形成漏極電流iD，顯然，在漏源電壓VDD一定時(shí)，iD的大小是由導(dǎo)電溝道的寬窄決定的。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性NMOS增強(qiáng)型NMOS耗盡型各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性PMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)、轉(zhuǎn)移特性及輸出特性類型符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性結(jié)型N溝道結(jié)型P溝道3.場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)

（1）直流參數(shù)1)開(kāi)啟電壓UGS(th)和夾斷電壓UGS(off)

：指uDS等于某一定值時(shí)，使漏極電流iD等于某一微小電流時(shí)柵、源之間的電壓uGS，對(duì)于增強(qiáng)型為開(kāi)啟電壓UGS(th)，對(duì)于耗盡型為夾斷電壓UGS(off)。2)飽和漏電流IDSS：指工作于放大區(qū)的耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管在uGS＝0條件下漏極的電流，它反映了場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為放大電路時(shí)可能輸出的最大電流。3)直流輸入電阻RGS：指漏源短路時(shí)，柵源之間所加的電壓uGS與柵極電流iG

之比，一般大于108Ω。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（2）交流參數(shù)1)低頻跨導(dǎo)gm（又叫低頻互導(dǎo)）：指uDS為一定值時(shí)，漏極電流的變化量iD與uGS的變化量之比，即

gm是表征場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大能力的重要參數(shù)。gm的值與管子的工作點(diǎn)有關(guān)，單位為西（門(mén)子），符號(hào)為S。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2)漏源輸出電阻rDS：指uGS為某一定值時(shí)，uDS的變化量與iD的變化量之比，即

rDS在恒流區(qū)很大，在可變電阻區(qū)很小，當(dāng)uGS＝0時(shí)的rDS稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電阻rDS(on)。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)

（3）極限參數(shù)1)漏源擊穿電壓U(BR)DS

：指漏源間承受的最大電壓，當(dāng)uDS