电子技术基础项目化教程课件 项目一 半导体器件的认识 1.4.3 场效应晶体管

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场效应晶体管又叫单极型半导体晶体管（简称FET），它具有输入电阻高，另外还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、寿命长等优点，因而得到广泛应用。

场效应晶体管根据结构的不同，分成两类：金属（Metal）—氧化物（Oxide）—半导体（Semiconductor）(简称MOSFET)和结型场效应晶体管（简称JFET）。

场效应晶体管根据制造工艺和材料的不同，又分为N沟道场效应晶体管和P沟道场效应晶体管。1.4.3场效应晶体管下页上页首页1.MOS场效应晶体管MOS场效应晶体管按工作方式，又分为增强型和耗尽型两类。这里以N沟道增强型MOS场效应晶体管为例，讨论MOS管的有关特性。下页上页首页

（1）N沟道增强型MOS场效应晶体管1）结构与符号N沟道增强型MOS场效应晶体管的结构如图1－32(a)所示，它的制造工艺是：以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，然后利用扩散的方法在衬底的两侧形成掺杂浓度比较高的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别是源极（S）和漏极（D），然后在硅片表面覆盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）的绝缘层，然后在漏源之间的绝缘层表面再用金属铝引出一个电极作为栅极（G），另外从衬底引出衬底引线B。下页上页首页

可见这种场效应晶体管由金属、氧化物和半导体组成，所以简称为MOS场效应晶体管。根据这种结构，源极和漏极可以交换使用。但再实际应用中，通常源极和衬底引线B相连（此时S和D不能交换使用）。下页上页首页

如果以N型硅片作为衬底，可制成P沟道增强型MOS场效应晶体管。N沟道和P沟道增强型MOS场效应晶体管的符号分别如图1－32(b)和(c)所示，图中衬底B的方向始终是PN结加正偏电压时正向电流的方向。下页上页首页2)工作原理N沟道增强型MOS场效应晶体管正常工作时，栅源之间加正向电压uGS，漏源之间加正向电压uDS，并将源极和衬底相连。衬底是电路中的最低电位。

①栅源间电压uGS对iD的控制

当栅源间无外加电压时，由于漏源间不存在导电沟道，所以无论在漏源间无论加上何种极性的电压，都不会产生漏极电流。下页上页首页

当在栅源间外加正向电压uGS时，外加的正向电压在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中产生了由栅极指向衬底的电场，该强电场会使靠近SiO2一侧P型硅中的多子（空穴）受到排斥而向体内运动，从而在表面留下不能移动的负离子，形成耗尽层。下页上页首页

这时，如果在漏源间加上电压，就会有漏极电流产生，如图1－34(a)所示。人们将开始形成反型层所需的uGS值称为开启电压，用UGS(th)表示。显然，栅源电压uGS越大，作用于半导体表面的电场越强，被吸引到反型层中的电子愈多，沟道愈厚，相应的沟道电阻就愈小。下页上页首页

可见，这种场效应晶体管uGS=0时没有导电沟道，只有uGS>UGS(th)才有导电沟道。其转移特性曲线如图1－34(b)所示，可近似用下式表示IDO是uGS＝2UGS(th)时的iD

的电流。下页上页首页

②漏源电压

对沟道的影响

iD流经沟道产生压降，使得栅极与沟道中各点的电位不再相等，也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化，导电沟道从等宽到不等宽，呈楔形分布。当uGS>UGS(th)且为某一定值，如果在漏源间加上正向电压uDS，uDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场，该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流iD。下页上页首页

其特性曲线如图1－35所示。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、放大区和截止区这三个区域。下页上页首页图1－35增强型NMOS场效应晶体管的输出特性曲线

可变电阻区：这是uDS较小的区域，但uGS为一定值时，

与uDS成线性关系，其相应直线的斜率受uGS控制，这时场效应晶体管D、S间相当于一个受电压uGS控制的可变电阻，其阻值为相应直线斜率的倒数。

放大区：这是uDS＞uGS-UGS(th),场效应晶体管夹断后对于的区域，其特点是曲线近似为一簇平行于uDS轴的直线，iD仅受uGS控制而与uDS基本无关。在这一区域，场效应晶体管的D、S之间相当于一个受电压uDS控制的电流源，所以也称为恒流区，场效应晶体管用于放大电路时，一般就工作于该区域。

截止区：指uGS<UGS(th)的区域，这时导电沟道消失，iD=0，管子处于截止状态。下页上页首页

（2）N沟道耗尽型场效应晶体管N沟道耗尽型MOS管的结构如图1－36(a)所示，符号如图1－36(b)所示。N沟道耗尽型MOS管在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。这些正离子的存在，使得uGS=0时，就有垂直电场进入半导体，并吸引自由电子到半导体的表面而形成N型导电沟道。

如果在栅源之间加负电压，uGS所产生的外电场削弱正离子产生的电场，使得沟道变窄，电流iD减小，反之则电流iD增大。故这种管子的栅压uGS可以是正的，也可以是负的。改变uGS就可以改变沟道宽窄，从而控制漏极电流iD。其转移特性曲线如图1－37(b)所示，iD=0时场效应晶体管截止，此时导电沟道消失的栅源电压称为夹断电压，用UGS(off)

来表示。其中转移特性曲线可近似用下式表示:式中，IDSS是uGS＝0时的iD

的电流，称为漏极饱和电流。下页上页首页下页上页首页图1－37耗尽型NMOS管的特性曲线2.结型场效应晶体管

（1）结构与符号

结型场效应晶体管同MOS管一样，也是电压控制器件，但它的结构和工作原理与MOS管是不同的。N沟道结型场效应晶体管的结构示意图和符号如图1－38(a)和(b)所示。下页上页首页图1－38N沟道结型场效应

晶体管的结构与符号

它是以N型半导体作为衬底，在其两侧形成掺杂浓度比较高的P区，从而形成两个PN结，从两边的P型半导体引出的两个电极并联在一起，作为栅极（G），在N型衬底的两端各引出一个电极，分别是源极（S）和漏极（D），两个PN结中间的N型区域称为导电沟道，它是漏、源之间电子流通的路径，因此导电沟道是N型的，所以称为N沟道结型场效应。结型场效应晶体管工作时，要求PN结反向偏置。下页上页首页

（2）工作原理

当漏源间短路，栅源间外加负向电压uGS时，结型场效应晶体管中的两个PN结均处反偏状态。随着uGS负向增大，加在PN结上的反向偏置电压增大，则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低，故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽，使得沟道变窄，沟道电阻增大，如图1－39所示。图1－39时N沟道结型效应管被夹断

当uGS负向增大到某一值后，PN结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇，沟道被完全夹断，此时漏源间的电阻将趋于无穷大，相应此时的漏源间电压uGS称为夹断电压，用UGS(off))表示。iD与uGS的关系可近似用下式来表示：式中，IDSS为uGS＝0的漏极饱和电流。下页上页首页

由以上分析可知，改变栅源电压uGS的大小，就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电压VDD，则N型导电沟道中的多数载流子（电子）便从源极通过导电沟道向漏极作飘移运动，从而形成漏极电流iD，显然，在漏源电压VDD一定时，iD的大小是由导电沟道的宽窄决定的。下页上页首页各种场效应晶体管的符号、转移特性及输出特性类型符号转移特性输出特性NMOS增强型NMOS耗尽型各种场效应晶体管的符号、转移特性及输出特性类型符号转移特性输出特性PMOS增强型PMOS耗尽型各种场效应晶体管的符号、转移特性及输出特性类型符号转移特性输出特性结型N沟道结型P沟道3.场效应晶体管的主要参数

（1）直流参数1)开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)

：指uDS等于某一定值时，使漏极电流iD等于某一微小电流时栅、源之间的电压uGS，对于增强型为开启电压UGS(th)，对于耗尽型为夹断电压UGS(off)。2)饱和漏电流IDSS：指工作于放大区的耗尽型场效应晶体管在uGS＝0条件下漏极的电流，它反映了场效应晶体管作为放大电路时可能输出的最大电流。3)直流输入电阻RGS：指漏源短路时，栅源之间所加的电压uGS与栅极电流iG

之比，一般大于108Ω。下页上页首页

（2）交流参数1)低频跨导gm（又叫低频互导）：指uDS为一定值时，漏极电流的变化量iD与uGS的变化量之比，即

gm是表征场效应晶体管放大能力的重要参数。gm的值与管子的工作点有关，单位为西（门子），符号为S。下页上页首页2)漏源输出电阻rDS：指uGS为某一定值时，uDS的变化量与iD的变化量之比，即

rDS在恒流区很大，在可变电阻区很小，当uGS＝0时的rDS称为场效应晶体管的导通电阻rDS(on)。下页上页首页

（3）极限参数1)漏源击穿电压U(BR)DS

：指漏源间承受的最大电压，当uDS