半导体物理及器件物理基础

半导体物理和器件物理基础固体材料：超导体:大于106(cm)-1

导

体:106~104(cm)-1

半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：

构

成

一

个正四面体，

具

有

金

刚

石

晶

体

结

构

半导体有元素半导体，如：Si、Ge

化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚

后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚

后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构

原子能级

能带价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导

带价

带Eg本征载流子浓度：

n=p=ninp=ni2

ni与禁带宽度和温度有关4.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度

电

子

浓

度

n,

空

穴

浓

度

p5.半导体的掺杂BAs

受

主

掺

杂

施

主

掺

杂施主和受主浓度：ND、NA受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态6.非本征半导体的载流子在非本征情形:

热平衡时(质量作用定律):N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半导体：电子nNd

空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa

电子nni2/Na举例掺杂浓度分别为(a)和的硅中的电子和空穴浓度？(b)再掺杂的Na又是多少？()8.过剩载流子

由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力

载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动

引

入

迁

移

率

的

概

念

影

响

迁

移

率

的

因

素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（

热

运

动

引

起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：

直接复合、间接复合、

表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2重

点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合半导体器件物理基础据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：

pn结金属－半导体接触

MOS结构

异质结

超晶格半导体器件物理基础PN结和晶体管N型半导体P型半导体PN结PN（具有奇特的性质）微电子器件的基础在一块n型（或p型）半导体单晶上，用适当的工艺方法（如：合金法、扩散法、生长法、离子注入法等）把p型（或n型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面出就形成了pn结。PN结的形成PN1）合金法制备pn结把一小粒铝放在一块n型单晶硅片上，加热到一定程度，形成铝硅的熔融体，然后降低温度，熔融体开始凝固，在n型硅片上形成一含有高浓度铝的p型硅薄层，它和n型硅衬底的交界面处即为pn结。nSiAInSi液体nSipNDNAN(x)xpn合金结的杂质分布：突变结2）扩散法制备pn结通过氧化、光刻、扩散等工艺形成p-n结。nSiSiO2nSinSiPNDNA(x)N(x)xpn杂质分布：缓变结N++++++++++++++++++++++++++++++++++++N++++++++++++++++++++++++++++++++++++以N型半导体为基片通过半导体扩散工艺使半导体的一边形成N型区，另一边形成P型区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(1)在浓度差的作用下，电子从N区向P区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------(2)在浓度差的作用下，空穴从P区向N区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------PN结两端掺杂浓度不均→扩散运动N区电子→→P区P区空穴→→N区P区：电子→PN界面附近与空穴复合→留下带负电荷的电离受主N区：空穴→PN界面附近与电子复合→留下带正电荷的电离施主N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

即PN结空间电荷层空间电荷区

——在PN结的交界面附近，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

形成内建电场内电场方向

内建电场——由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。

随着扩散的进行，空间电荷↑，内建电场↑，载流子漂移↑N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------

无外加电场：当扩散和漂移运动达到平衡后;

扩散电流ID=漂移电流IT，方向相反;PN结中无电流通过;

形成一定的宽度的空间电荷层。PN结形成过程动画演示p-n结能带图EC

EfnEVEC

EfpEV------空间电荷区EFx－－－－－－－－－－qVDqVDp区能带相对向上移，n区能带向下移，费米能级相等，n-p结达平衡状态，没有净电流通过。

能带弯曲，电子从势能低的n区向势能高的p区运动时，必须克服这一势能“高坡”，才能到达p区；同理，空穴也必须克服这一势能“高坡”，才能从p区到达n区，这一势能“高坡”通常称为p-n结的势垒，故空间电荷区也叫势垒区。p-n结两边的掺杂浓度温度禁带宽度PN结及二极管的特性1PN结——单向导电特性a正向偏置(外加正向电压)b反向偏置(外加反向电压)2

PN结——伏安特性3PN结——电容特性a正向偏置(外加正向电压)

PN结两端加正向电压U：P区“+”

，N区“-”

+

-外电场将P区空穴→（-）受主离子↓N区电子→（+）施主离子↓→空间电荷层变薄→内建电场减弱→pn结电阻很小xV(x)VDVD-V1PN结——单向导电特性------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正向偏置内电场被削弱PN结变窄多子进行扩散------PN++++++------------------------------++++++++++++++++++++++++RSE内++++++EPN结正偏动画演示P+N内建电场Elo+-VIPN结正偏空间电荷层变薄内建电场减弱扩散电流>>漂移电流扩散形成较大的正向电流IPN结导通电压V电流I外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0Ib反向偏置(外加反向电压)

+

-xV(x)VDVD+VPN结两端加反向电压U：P区“-”

，N区“+”

外电场将P区空穴部分中和N区电子部分中和→内建电场增强→pn结电阻很大→空间电荷层变宽PN结反偏动画演示P+N内建电场Elo-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强漂移电流>>扩散电流少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V近似无关。当外部电压达到一定值时，反向电流几乎不随反偏电压变化，形成饱和电流——反向饱和电流（Is）当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大----反向击穿。击穿电压V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-30IsPN结单向导电特性

PN结加正向电压时，电阻小，形成较大正向电流ID，导通；PN结加反向电压时，电阻大，形成反向电流极小，不导通(截止)；

这一特性称为单向导电性。由前面的a、b合起来可以表述为：VT—热电压VT=KT/qIS—PN结反向饱和电流在室温（T=300K)时，PN结的电压与电流关系PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：

+++++_PN____VI（1）当V=0时，I=0（3）

当V<0，且|V|>>UT时，I-IS讨论：（2）当V>0，且V>>VT时，

VDI2

PN结——伏安特性VDI反向特性正向特性击穿特性a有死区（ID≈0的区域）正向电压很小，对内建电场影响小，ID≈0——PN结不导通

(1)．V>0,正向特性反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonO死区电压的大小与管子的材料及温度有关b呈现指数形式区域硅管Von=0.5V～0.7V锗管Von=0.1V～0.3V反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonO而当V>Von后，曲线陡直——PN结导通二极管正向导通时的电压称导通电压Von(2)．反向特性

a

当时，IS硅管<0.1A锗管几十到几百A反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonOV(BR)Isb

当时反向电流急剧增大二极管发生反向击穿当反向电流剧增时所对应的反向电压叫击穿电压VBR

当反向电压足够高时，PN结内电场较强，在空间电荷区作漂移运动的载流子不断被加速，以致获得足够能量，它们碰撞晶体原子，使得共价键中的电子激发形成电子－空穴对（碰撞电离现象），新产生的电子和空穴在电场作用下加速，也获得能量，又碰撞别的晶体原子，继续产生电子－空穴对，这就是载流子的倍增效应.

①雪崩击穿PN结的击穿雪崩击穿和齐纳击穿电击穿热击穿形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增，向雪崩一样——雪崩击穿雪崩击穿满足空间电荷区电场强度大空间电荷区宽度大

②齐纳击穿（隧道击穿）空间电荷区较窄，反向电压增加→Pn结能带弯曲程度↑

（可能出现n区的Ec比p区的EV低）－当△x短到一定程度，在电场作用下，p区价带电子将通过隧道效应穿过禁带到达n区导带中，是反向电流急剧增加——隧道击穿。qVDEc△xEvEcEvEgpn最初由齐纳提出解释电解质击穿现象——齐纳击穿齐纳击穿：高掺杂，空间电荷层窄，低反向（击穿）电、压，产生电子空穴对，反向电流增大。雪崩击穿：低掺杂，空间电荷层宽，高反向（击穿）电压，撞价电子（撞出），产生电子空穴对，多次重复，反向电流增大。一般地：击穿电压VBR<6V的属于齐纳击穿击穿电压VBR>6V的属于雪崩击穿

当p–n结上加反向电压

→

反向电流引起热损耗↑→反向饱和电流↑

如此反复循环下去，最后发生热电击穿。热电击穿热击穿（大电流）——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿

电击穿——可逆

电压越大，对应损耗的功率也越大。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，可能发生热击穿正向区：温度升高，曲线左移反向区：温度升高，曲线下移

当温度T↑时，PN结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致PN结的反向饱和电流IS增大；

V(on)随T↑而略↓

当温度进一步增大到极端，杂质半导体变得与本征半导体类似，PN结就不存在了。

(3)PN结的温度特性PN结正常工作的最高温度：

Si：150~200℃Ge：75~100℃(4)半导体二极管的主要电参数a.额定电流IFb.反向击穿电压V(BR)管子长期运行所允许通过的电流平均值。

二极管能承受的最高反向电压。反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonOV(BR)Isd.反向电流IRc.最高允许反向工作电压VR为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。

VR=（1/2～2/3）V(BR)室温下加上规定的反向电压测得的电流。

反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonOV(BR)Isf.最高工作频率fM二极管正向导通时的电压e.

导通电压Von反向特性击穿特性VDI正向特性死区电压VonOV(BR)Is半导体二极管的结构和符号半导体二极管的外型平面型N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片半导体二极管图片双极型晶体管（三极管）

半导体双极型晶体管是电子电路重要器件，它通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起，由于两个PN结的相互影响，使晶体管具有电流放大作用。从二极管发展到三极管，这是一个质得飞跃。

按材料：①硅管；②锗管按功率：①小功率管；②中功率管；③大功率管按结构：①NPN；②PNP

半导体双极型晶体管在工作过程中，管内有两种载流子(自由电子和空穴)参与导电，双极型晶体管，简称晶体管或三极管。或BJT(BipolarJunctionTransistor)。

两种类型的三极管基本结构:符号：PN结PN结发射区发射极emitter基区基极base集电区集电极collector集电结发射结NPN型ECB箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向PN结PN结发射区发射极emitter基区基极base集电区集电极collector集电结发射结ECBPNP型符号：箭头方向表示发射结加正向电压时的电流方向常见三极管的外形：

晶体管的结构特点：•

发射区的掺杂浓度最高•

集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•

基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。管芯结构剖面图工艺：在N型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成P型(基区)，基区做的很薄（微米甚至纳米数量级）；再在P型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散，形成N型的发射区，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区。再引出三个电极。平面型（NPN）三极管发射区：掺杂浓度最高基区：最薄，掺杂浓度最低BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大bec表面看双极型晶体管的放大原理归结为：1.双极型晶体管的工作原理外部条件：

发射结正偏；集电结反偏

内部条件：

发射区掺杂浓度高；基区薄且掺杂浓度低；集电结面积大满足放大条件的三种电路：ECBCEBECB共发射极共集电极共基极

共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;

共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；（以NPN为例）共基极内部载流子传输过程：N+NPEBC

VBEVBCVBEVBCCEB载流子的NPN管传输经历三个阶段：①多数载流子注入BE结加有正向偏压：基区空穴在正向偏压下扩散到发射区，IpE

发射区电子扩散到基区，InE

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEVBEVBCCEBIE=InE+IpE

一般InE

>>IpE

，IpE数值很小，一般可以忽略。发射区：掺杂浓度最高基区：最薄，掺杂浓度最低BECNNP

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpE②基区载流子的扩散与复合N+发射区电子基区电子浓度差向前扩散集电结N区边界空穴复合少数电子

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB+NNPEBC发射区发射结基区集电区集电结电子在基区的扩散过程中，空穴会与那里的多数载流子电子相遇而被复合。但如果：

a.基区很薄

b.基区空穴浓度很低（要求基区施主杂质浓度很低）则这种复合机会将大大减少，以致绝大多数电子均能经扩散到达集电结边界。只有少量空穴在基区中与电子复合。

N+NPIEIB-InEIpEInBBCE③集电极收集扩散电子

电子到达集电结边界时，遇到集电结强大的电场，此电场的方向是电子产生漂移运动，而被“拉”入集电区，构成集电极电流InC。此过程称为收集。+

-集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流ICBO。ICBO在三极管内部的传输过程不参与导电，可忽略。

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBO

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc结论：①.在N+PN管内，空穴的传输过程包含三个基本环节：注入→扩散（少量被复合）→收集②.载流子传输过程的实现，使输出的集电极电流InC

决定于输入的发射极电流InE，即InC

≈

InE③.由于InE受正向偏压影响极大，BE结正向偏压的微小改变将引起正向电流InE的剧烈改变，于是InC也跟着剧烈改变。三极管的控制过程表示如下：VBE

IE

IC

VBEVBCN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc④.电流传输过程能够得以实现的内部原因，完全是由于：ⓐ基区很薄ⓑ基区掺杂浓度较低。很薄的基区将两个偏置相反的PN结联成一个统一的整体，使该整体具有放大信号的能力，而非两个孤立的二极管。因此ⓐⓑ两点是三极管具有放大作用的内部条件。

2.双极型晶体管的电流放大系数

IC=InC+ICBOIB=IpE+InB

-ICBOIE=InE+IpE三者之间关系：

IE=IC+IBN+NPIEIB-InEIpEInB-InCICBOIc对于合格的晶体管：IB很小，约为1/100ICIE和IC接近（1）共基极基极作为输入输出的公共端

为共基极直流电流放大系数，它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

=0.90.99。不能有电流放大的作用，但因为在收集极允许介入阻抗很大的负载，因此可获得电压放大和功率放大。

对于共基电路，同样可定义交流电流放大系数

，NPNICIEIBRbVBEVCERc（2）共发射极直流电流放大系数：o发射极作为输入输出的公共端发射结正偏，集电结反偏。IC=InC+ICBOIB=IpE+InB

-ICBOIE=InE+IpE三者之间关系：

IE=IC+IB共发射极直流电流放大系数：

只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般

>>1,

值在20~200之间。

管子做成后IC，与IE

的比例关系基本固定，因此能够通过改变IB

的大小控制，这就是所谓三极管的电流放大作用。

对于发射极电路，同样可定义交流电流放大系数

，ECBCEBECB共发射极共集电极共基极共基极直流电流放大系数：共发射极直流电流放大系数：和的关系满足公式：

对于交流与同样也有：

3三极管的输入特性与输出特性

bce共射极放大电路VBEVCEICIBIE

IB=f(vBE)

VCE=const(1).输入特性曲线（以共发射极放大电路为例）当VCE≥1V时

VCB=VCE-VBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少。当VCE=0V时相当于发射结的正向伏安特性曲线。NPNICIEIBVBEVCE输入特性曲线VCE1VIB/AVBE/V204060800.40.8

死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。0V0.5V(2)输出特性曲线IC=f(VCE)

IB=const击穿区饱和区放大区123405101520截止区0IC(MA)1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当VCE大于一定的数值时，IC只与IB有关：IC=IB。NPNICIEIBVBEVCE放大区

条件：发射结正偏，VBE>0,集电结反偏，VBC<0

特点：(A)有放大特性：(B)有恒流特性：IC与VCE无关。IC(MA)

1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中VCEVBE,集电结正偏，集电极电流不再受基极电流的控制.VCE0.3VNPNICIEIBVBEVCE饱和区

条件：发射结正偏，集电结正偏。VBE>0,VBC>0

特点：失去放大能力，即IC＝βIB不成立,即IB不能控制IC

的变化。IC(mA)1234VCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0,IC=ICBO,VBE<死区电压，称为截止区。NPNICIEIBVBEVCE截止区条件：发射结、集电结均反偏VBE<0,VBC<0

。特点：IB=0时，IC

≈IE=ICBO=0，三极管CE间为开路。

第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、

G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管国家标准对半导体三极管的命名如下:3

D

G

110B

用字母表示材料

用字母表示器件的种类

用数字表示同种器件型号的序号

用字母表示同一型号中的不同规格

三极管半导体三极管的型号例如：3AX31D、3DG123C、3DK100BBJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极MOS场效应晶体管MOS场效应管(MOSFET)的结构及符号MOS管的电流电压特性MOS场效应晶体管(MOSFET)Mental-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-TransistorMIS结构

(金属-绝缘体-半导体，Metal-Insalator-Semiconductor)半导体绝缘层金属MIS结构实际就是一个电容当M——S两端加电压后，

M—S两端相对的两个面上被充电。I金属：自由电子密度高，电荷分布在一个原子厚度的范围内半导体：自由载流子密度低，电荷分布在一定厚度的表面层根据金属—半导体间所加电压VG的变化，半导体的电荷分布，表面电势的变化，分为堆积、耗尽、反型三种情况。以P型半导体为例：(1)多数载流子堆积

VG<0(金属接负)表面层出现空穴堆积而带正电荷能带向上弯曲。SM－+(2)多数载流子耗尽

VG>0(金属接正)半导体中的少数载流子电子会到表面与空穴复合，同时表面处的空穴被排斥，电子留在表面。表面处空穴的空穴浓度比内部低得多，能带向下弯曲M+－(3)少数载流子反型

VG>0(金属接正)VG继续增大，表面处电子浓度增加并超过空穴的浓度，形成与原来半导体导电类型相反的一层，叫反型层。M+－场效应晶体管结型场效应管绝缘栅场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道2.MOS场效应晶体管(MOSFET)晶体结构结构示意图L沟道长度W沟道宽度D(Drain)为漏极G(Gate)为栅极S(Source)为源极NMOSD(Drain)为漏极，G(Gate)为栅极，S(Source)为源极，P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGBN型衬底(掺杂浓度低)P+P+SDGBPMOSSGDBSGDB符号

增强型P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGBD(Drain)为漏极G(Gate)为栅极S(Source)为源极MOSFET的结构是完全对称的，不加偏压下，无法区分那一端是源极，那一端是漏极。对于NMOS，加偏压后，将电位低的一端称源极，电位高的一端呈漏极，电流方向从漏极流向源极。PMOS相反。P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB用扩散的方法制作两个N+区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层用金属引出源极S和漏极D在绝缘层上喷金属铝（铝铜硅）引出栅极G工艺

漏极和源极间的区域称为导电沟道SiO2

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管（MOSFET

）

栅极和其它电极及衬底之间是绝缘的，所以又称为绝缘栅场效应管（IGFET

）

P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB3工作原理（以增强型NMOS为例）

绝缘栅场效应管利用VGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。正常工作时，VGB>0，源极S和漏极D与衬底之间的pn结必须加电压。VGS>0，VDS>0且VGS>VDS

P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB（1）假定VGS=0两个N+被各自的空间电荷包围,漏源之间相当于两个背靠背的PN结。无论漏源之间加何种极性电压，总有一个PN结是反偏的。且只有很小的反偏电流，可认为ID=0。VGSID=0P型衬底N+N+SDGBVDSSBD（2）假定VGS>0（很小）垂直于衬底表面产生电场VGSID=0N+N+SDGBVDSP型衬底--电场将两个N+的多子电子和P衬底中少子电子吸引到表层与空穴复合。排斥空穴，留下负空间电荷。VGS很小时，源、漏极被空间电荷隔断。（3）假定VGS增加使导电沟道刚刚形成的VGS称为开启电压VGS(th)(或VT)VGSN+N+SDGBVDSP型衬底空间电荷区电场将两个N+的电子和P衬底中电子继续吸引到表层与空穴复合。排斥空穴，最终电子浓度>空穴浓度。形成反型层。两个N+相通，源、漏极间形成N型导电沟道。VGS足够大时,形成导电沟道，如此时加有漏源电压VDS，就可以形成漏极电流ID。VDS>0导电沟道形成后，VDS越大，ID越大。导电沟道相当于电阻,VGS越大此电阻越小。VGSID>0N+N+SDGBVDSP型衬底栅极电压——纵向电场漏源电压——横向电场

在栅极上电压为0时，漏源之间相当于两个背靠背的PN结。且相隔很远，可认为ID=0。

当栅极上加一定的电压后，源漏之间加电场后会有明显的电流通过。

由于器件的电流是由电场控制的，这就是场效应管的由来。VGSID=0P型衬底N+N+SDGBVDSVGSID>0N+N+SDGBVDSP型衬底VDS>0这种在VGS=0时没有导电通道，而必须在栅极上加一定的电压才形成的沟道的MOS管，称增强型MOS晶体管VGSP+P+SDGBVDSN型衬底两个P+相通，源、漏极间形成P型导电沟道。空间电荷区PMOS4场效应晶体管的直流特性A转移特性曲线当VGS<VT时，导电沟道还没有形成，ID≈0。当VGS>VT时，导电沟道已形成，VDS>0,产生声漏源电流。随着VGS的增大，ID也增大。VT无沟道有沟道(1)增强型NMOSVGSP+P+SDGBVDSN型衬底B输出特性曲线线形区（可变电阻区）饱和区(恒流区)击穿区（截止区）VGSP+P+SDGBVDSN型衬底VDS

小，VGSVDS>VT线形区（可变电阻区）加在平板电容器电位差沟道最左—栅极近源VGS

沟道最右—栅极近漏VGS

VDS

差不多整个沟道厚度变化不大——ID随VDS线形变化VGSID>0N+N+SDGBVDSP型衬底VDS/VOID/mA饱和区(恒流区)VDS↑,

VGS

VDS=VT

VDS作用于沟道两端电位差VGSVGS

VDS

不同整个沟道厚度不均——ID随VDS增加缓慢VGS

VDS=VT

，右端沟道消失——沟道夹断VGSID>0SDGBVDSP型衬底N+N+击穿区（截止区）饱和区过后，VDS↑,

晶体管进入击穿区栅调制击穿沟道雪崩击穿源漏击穿SGDBVGSID>0N+N+SDGBVDSP型衬底P型衬底(掺杂浓度低)N+N+SDGB常闭栅极上必须加高于V