MOSFET基础知识介绍

1、FET基礎知識及電參數測試介紹基礎知識及電參數測試介紹场效应三极管场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。DSGN符符号号结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图 1 N 沟道结型场效应

2、管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是N型的，型的，称称N沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P P 沟道场效应管沟道场效应管图图 2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P型型硅棒的两侧做成高掺杂的硅棒的两侧做成高掺杂的N型区型区(N+),导电沟道为导电沟道为P型

3、型，多数载流子为空穴。，多数载流子为空穴。符号符号GDS二、工作原理二、工作原理N沟道结型场效应管用改变沟道结型场效应管用改变UGS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 ID 的的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层在栅极和源极之间加反在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏道本身的电阻值增大，漏极电流极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 耗尽层的宽度改变主耗尽层的宽度改变主要在沟道区。要在沟道区。二、工作原理二、工作原理N沟道结

4、型场效应管用改变沟道结型场效应管用改变UGS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 ID 的的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间加反在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏道本身的电阻值增大，漏极电流极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 * *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。1. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源，在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。观察耗尽层

5、的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ (a) UGS = 0UGS=0时，耗尽时，耗尽层比较窄，导层比较窄，导电沟比较宽电沟比较宽UGS由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当UGS=UGS(off），），耗耗尽层合拢，导电沟道尽层合拢，导电沟道被夹断，夹断电压被夹断，夹断电压 UGS(off) 为负值。为负值。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 (b) UGS 0，在栅源间加负，在栅源间加负电源电源 VGG，观察，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS=0,UDG ，

6、 ID 较大较大。GS(off)UGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS0，UDG 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off) |, ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1) 改变改变 UGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ，故称场效应，故称场效应管；管； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。栅极基本不取电流，因此，场效应管输

7、入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线三、特性曲线1. 转移特性转移特性(N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)常常数数 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUGS(off)圖圖5 转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UGS(off)，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的时的ID)夹断电压夹断电压UGS(off) (ID=0时的时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖4 特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA1. 转移特性转移特性O

8、uGS/VID/mAIDSSUGS(off)图图 6转移特性转移特性2. 漏极特性漏极特性当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 ID 与漏源与漏源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0( )1 (GS)(2)(GSDSSD时当UUUUIIoffGSoffGS IDSS/V)(GSDSoffGSUUUID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8)(offGSU预夹断轨迹预

9、夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。可变电阻区、恒流区和击穿区。2. 漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 7特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA图图 8漏极特性漏极特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数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结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 9在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为金属由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管，或简称导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电

11、阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 10N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应

12、管利用UGS来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多少，的多少，改变由这些改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 11(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th)导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS=UGS UGS(th)， UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开

13、靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UGS(th)P 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断

14、区图图 12UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a) UGD UGS(th)(b)UGD= UGS(th)(c)UGD UGS(th)3. 特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO)(GSthGSUU预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UGS(th) 时时)三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿区。、击穿区。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAO图图 13图图 14二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬

15、底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)(a)转移特性转移特性IDSS图图 1.4.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=

16、0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 16特性曲线特性曲线场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UGS(off)/开启电压开启电压 UGS(th)3. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS 输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控

17、的控制作用。制作用。常常数数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。一般为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若UGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBU