第二章3(场效应管)

2.5场效应管绝缘栅（MOS）场效应管结型场效应管场效应管的主要参数极特点一二三一MOS场效应极管场效应管：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。1.根据载流子来划分：N沟道器件：电子作为载流子的。P沟道器件：空穴作为载流子的。2.根据结构来划分：

结型场效应管JFET：

绝缘栅型场效应管MOSFET：1.场效应管具有什么功能？2.场效应管都有哪些类型？区别是什么？3.与双及性三极管的区别？1

增强型MOSFET结构D为漏极，相当C；

G为栅极，相当B；

S为源极，相当E。（一）N沟道增强型MOS场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管MOSFET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结构图栅压为零时有沟道栅压为零时无沟道P型硅作衬底浓度较低引出电极B在P型衬底上生成SiO2薄膜绝缘层引出电极G极用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极：S极和D极MOSFET=Metal-Oxide-semiconductorFieldEffectTransistor(动画2-3)由于BS短接，G与衬底B间产生电场，GB相当两个平板，电子被正极板吸引，空穴被排斥，出现一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子——电子，将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍不能形成漏极电流ID。1）栅源电压UGS的控制作用漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。即:ID=02工作原理(1).当UGS=0V时:(2).0＜UGS＜UT时:(3).当UGS=UT:(UT称为开启电压)1.在UGS=0V时ID=0;2.只有当UGS＞UT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。（电压控制器件）出现反型层，与N形成一体构成导电沟道;当UDS＞0时:D沟道

S之间形成漏极电流。(4).当UGS＞UT:(UT称为开启电压)随着UGS的继续增加，沟道加厚，沟道电阻，ID将不断（动画2-4）（续）工作原理结论UGS固定，且UDS很小时：UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。漏源电压UDS对沟道影响1）输出特性曲线（1）可变电阻区UGS＞UT:反映了漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID

K2(UGS-UT)UDS上式得:UGS一定时沟道导通电阻：Ron=

dUDS/

dID|

UGS=constRon=

L

/

nCOXW(UGS-UT)3特性曲线沟道电子表面迁移率K为导电因子单位面积栅氧化层电容结论：UGS恒定时Ron近似为常数。Ron随UGS而变化，故又称可变电阻区。

由于UDS的存在，导电沟道不均匀，当UDS=

UGS-UT时:此时漏极端的导电沟道将开始消失（称预夹断）(2)恒流区：UGS一定时：ID随UDS基本不变，ID恒定称恒流区。当UDS>UGS-UT时:随UDS夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端，ID不随UDS而变。(3)击穿区：当UDS增加到一临界值时，ID（急剧）即D与衬底之间击穿。当UGS＞UT，且固定为某一值时:

UDS对ID的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线。漏极输出特性曲线在输出特性曲线上：当UDS固定为某一值时:

UGS对ID的影响的关系曲线称为转移特性曲线。转移特性曲线转移特性曲线3特性曲线UGS对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线ID=f(UGS)UDS=const2）转移特性曲线如图所示：(1).UGS<UT时：沟道未形成，

ID=0管子截止状态(2).UGSUT时：沟道形成，

ID>0随UGS沟道加厚

ID

UDS正向减小，曲线右移。在恒流区转移特性曲线中ID

与UGS的关系为：ID=K(UGS-UT)2

;式中K为导电因子ID=(UGS-UT)2nCOXW/2L短沟道并考虑UDS的影响时：ID=K(UGS-UT)2(1+

UDS)沟道电子表面迁移率单位面积栅氧化层电容沟道长度调制系数UGS＜0时：

随着UGS反向增加，ID逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP

表示。

N沟道耗尽型MOSFET的结构如图所示：(二)N沟道耗尽型MOSFET

UGS=0时；

正离子已感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。只要有漏源电压，就有漏极电流存在。（饱和电流Idss）(a)结构示意图在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。当UGS＞0时；沟道变宽将使ID进一步增加。N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线N沟道耗尽型的输出特性曲线在恒流区仍满足：ID

K(UGS-UT)2ID

K(UGS-UT)2（1+UDS）对耗尽型MOS管还可表示为：

ID

IDSS(1-UGS/

Up)2饱和漏极电流的值为：IDSS

(µnCOXW/2L

)Up2IDSSN沟道耗尽型MOSFET转移特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线:如图所示：P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同。区别是导电的载流子不同，供电电压极性不同。同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。(三)P沟道耗尽型MOSFET场效应管的特性曲线类型比较多：根据导电沟道不同，以及增强型还是耗尽型，可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于下图之中。2.伏安特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型三结型场效应三极管JFET的结构与MOSFET相似，工作机理也相似。如图:在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹一个N型沟道的结构。P区即为栅极;N型硅的一端是漏极;另一端是源极。结型场效应三极管的结构(动画2-8）（一）结型场效应三极管的结构:栅极漏极源极UGSDSGUDSID栅源电压对沟道的控制作用1.当UGS=0时:沟道较宽，在UDS作用下，产生的ID较大。

2.当UGS＜0时（即负压）时:随UGS增加，沟道变窄，ID减小。

（二）结型场效应三极管的工作原理耗尽层N沟道耗尽层3.若UGS再增加，增至UGS=Up时，耗尽层在源极附近相遇，称为全加断。此时ID=0。当UDS增加到UDS=UP（夹断电压）耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断（动画2-9）漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用（动画2-9）

(三)结型场效应三极管的特性曲线它与耗尽型MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线：输出特性：(a)漏极输出特性曲线（动画2-6）(b)转移特性曲线（动画2-7）结型场效应三极管的特性曲线JFET的特性曲线：

(三)结型场效应的特性曲线与NMOSFET的转移特性曲线很相似；区别在于NMOSFET的栅压可正可负，而NJFET的栅压只能为负电压。?1.NJFET转移特性曲线(如图)_同理PJFET的栅压只能为正电压。UDS=常数结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电的绝对值，场效应管不能导通(即IG=0)。夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流为零时,UGS=UP耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。四场效应三极管的参数①开启电压

UGS,th

(UT)②夹断电压UGS,off(UP)③饱和漏极电流IDSS（一）场效应管的主要参数1）直流参数

④场效应管栅源输入电阻RGS：

栅源间加固定电压UGS栅极电流IGS之比，输入电阻的典型值:结型场效应管，反偏时RGS约大于108～1012Ω，绝缘栅场效应管RGS约是1010～1015Ω。漏源、栅源击穿电压UDS,B、

BUGS,B(极限参数)①低频跨导gm

低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mA/V或mS(毫西门子)。2）场效应管的微变参数(1).图解法求解：在曲线工作点上作切线，其斜率为gm(2).解析法求解：增强型MOSFET:gm=1/Ron耗尽型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2IDSS/Up②衬底跨导gmb③漏极电阻rdS

：可在输出特性曲线工作点上作切线，其斜率的倒数④动态漏极电阻rds：极间电容:包括CgS、

Cgd、Cgb、

Csd、

Csb、

Cdb。在恒流区（即可变电阻区）：3）极限参数:包括UGS,B、UDS,B、PDM、

Csd、

Csb、

Cdb。（二）场效应管的特点是单极型电压控制器件；温度稳定性好。是输入电阻极高，一般可达108以上，因而可组成多级放大器的输入级，同时在作中间级放大器时，不需考虑对前级的负载作用。噪声低结构对称性、极间的互换性。构成可变电阻。工艺简单、功耗小。适于集成。2.6集成化元器件及其特点一集成电路工艺简介

以制造NPN管的工艺流程为例

氧化光刻隐埋层扩散外延和氧化隔离扩散选择隔离槽P型硅片1.平面工艺2电路元件制造工艺基区扩散发射区扩散蒸铝NPN选择基区选择发射区选择电极引线窗口选择要去除的铝层集成电路的封装(b)圆壳式(a)双列直插式二、集成化元器件1.NPN晶体管

在P型硅片衬底上扩散N＋隐埋层，生长N型外延层，扩散P型基区，N＋型发射区和集电区隔离岛隐埋层扩散P型基区2.PNP晶体管

从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动1)纵向PNP管优点：制造方便基区较NPN宽特征频率高输出电流大缺点由于隔离的需要，C极必须接电路电源最低电位常作射极跟随器。

(2)横向PNP管发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。优点：

因为由轻掺杂的P型扩散区和N型外延区构成，e结和c结反向击穿电压高缺点：

由于加工原因，基区宽度比普通NPN大1－2个数量级，很小，特征频率低。3.二极管晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得（如图）:常用的两种形式4.电阻：（一般有两种）（1）金属膜电阻:温度特性好（2）扩散电阻，按结构分：基区电阻:50～100K

＝±20%发射区电阻:1～1000（电阻率低）窄基区电阻:电阻率高10～1000K＝±20%虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差小（小于3％）5.电容利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板。电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正比，单位面积电容量不大，但漏电较小、击穿电压较高。MOS电容：三集成化元器件特点4.集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡。1.集成电路工艺不能制作电感，超过100pF的大电容因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用阻容耦合，而采用直接耦合。2.集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电阻，尽量用晶体管代替电阻、电容。3.单个元件的精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采用差放电路及增益取决于电阻比值的负反馈放大器。随着空间技术、光通信技术和计算机技术的发展，半导体光电器件得到飞速发展。光电器件按其功能可分成两大类：1．发光器件它的功能是把电能转换为光能。发光二极管是最常用的发光器件，当发光二极管两端加上电流或电压时，可高效的发出可见光、红外光或不可见光。2．光敏器件它的功能是把光能转换为电能。其中包括根据光电导效应工作的光电二极管，根据光生伏特效应工作的光电池（也称太阳能电池），依据光电子发射效应工作的光电倍增器、摄像管等。2.7半导体管光电器件1．半导体发光二极管

发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。当给PN结两端加正向偏压时，在正向电流激发下，管子就会发出可见光或不可见光，称电致发光。目前市场上有发红光、黄光、绿光、蓝光、紫光和红外光的各种发光二极管。除此以外还有变色发光二极管等。一、半导体发光器件1）工作原理半导体发光二极管的工作机理是光的自发发射。当注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。发光二极管的p—I曲线。结论：发光二极管不是阈值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比。1）半导体激光器的工作机理和任何类型的激光器一样，在半导体激光器中产生激光，需要具备以下三个基本条件：（1）具有合适的能级分布的激光物质；（2）外界提供的激励源能够在有源区中产生足够的粒子数反转分布；（3）存在光学谐振腔，在有源区中能够建立起稳定的振荡。2．半导体激光器（LD）原理：首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。条件：要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。半导体光电探测器是将光信号转换成电信号的功能器件。适用范围：在一切光信号处理的系统中都起着至关重要的作用；（包括光纤通信系统、光纤传感系统等）半导体光电探测器的构成决定了它的所有性能指标，如伏安特性、响应时间、暗电流、噪声等效功率等。二、半导体光电探测器1.半导体光电探测器的基本原理

图2—86光电二极管工作机理：是光电导效应；工作条件：光电二极管的PN结在反向偏置电压下工作。原理：光入射到本征半导体材料后，受共价键束缚的电子吸收光能量后挣脱共价键束缚而成为自由电子，并在原来的位置上留下空穴。光激发的电子—空穴对在外加电场的作用下产生定向运动，形成电流；结论：电流是在光激发下产生的，所以称为光生电流。入射光越强，光生电流越大。原理：1）光电响应特性光电流的大小与入射光功率Pin成正比:半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有如下特性：温敏性、光敏性和掺杂特性。以上特性对半导体的导电能力有较大影响，利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。

PN结是构成半导体器件的基本单元，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。小结晶体二极管实际