精选《微电子学概论》ch2MOS场效应晶体管资料课件.ppt

1、 下一页下一页上一页上一页半导体器件物理基础半导体器件物理基础MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管 下一页下一页上一页上一页场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型，因此称其为双极型器件；器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流一种载流子子，因此称其为单级型器件。因此称其为单级型器件。晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般10102 2 - 10 - 104 4 ； 场

2、效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达10109 9 - 10- 101414 下一页下一页上一页上一页晶体管的基本结构晶体管的基本结构 下一页下一页上一页上一页MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管场效应晶体管结型场效结型场效应晶体管应晶体管 （JFET）金属半导体金属半导体场效应晶体管场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应场效应 晶体管晶体管（MOSFET） 下一页下一页上一页上一页OUTLINEOUTLINE结型场效应晶体管结型场效应晶体管MISMIS结构结构 MOS电容结构电容结构MOSFET 下一页下一页上一页上一页N基底基底 ：N N型半导体型半导体P

3、P两边是两边是P P区区G(G(栅极栅极) )S S源极源极D D漏极漏极n结构结构导电沟道导电沟道结型场效应晶体管结型场效应晶体管 下一页下一页上一页上一页PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P P沟道结型场效应管沟道结型场效应管NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 下一页下一页上一页上一页n工作原理（以工作原理（以P P沟道为例）沟道为例）USD=0V时时UGSPGSDUSDNNNNIDPNPN结反偏，结反偏，U UGSGS越越大则耗尽区越宽，大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。导电沟道越窄。U UGS GS 对导电性能的影响对导电性能的影响 下一页

4、下一页上一页上一页UDS=0V时时PGSDUSDUGSNNIDNNU UGSGS越大耗尽区越宽，越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。沟道越窄，电阻越大。但当但当U UGSGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道。电沟道。DSDS间相当于间相当于线性电阻。线性电阻。 下一页下一页上一页上一页U UGSGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压V VT T）, ,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DSDS间间被夹断，这时，即使被夹断，这时，即使U USD SD 0V0V，漏极电流，漏极电流I ID D=0A=0A。PGSDUSDUGSNNID 下一页下一页上一页上一

5、页PGSDUSDUGSUGS0、UGDVT时时耗尽区的形状耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PNPN结反压越大结反压越大IDU USD SD 对导电性能的影响对导电性能的影响 下一页下一页上一页上一页PGSDUSDUGSUGSVT且且USD较大时较大时UGDVT时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。ID 下一页下一页上一页上一页GSDUSDUGSUGSVT UGD=VT时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。U USDSD增大则被夹断区增大则被夹断区向下延伸。向下延伸。ID 下一页下一页上一

6、页上一页GSDUSDUGSUGS0多子远离表面多子远离表面 + + + + + + + + + + +PVG0耗尽层（高阻区）耗尽层（高阻区） + + + + + + + + + + +PVG0反型层：由少子组反型层：由少子组成，称为沟道。成，称为沟道。表面空间电荷层和反型层表面空间电荷层和反型层N沟道沟道 下一页下一页上一页上一页 PVG0多子被吸引表面多子被吸引表面 PVGUT时时, 沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作的作用下，用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称

7、为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管 下一页下一页上一页上一页MOS管衬底偏置效应管衬底偏置效应保证两个保证两个PN结反偏，源极结反偏，源极沟道沟道漏极之间漏极之间处于绝缘态处于绝缘态NMOS管管UBS加一负压加一负压PMOS管管UBS加一正压加一正压处理原则：处理原则：处理方法：处理方法： 下一页下一页上一页上一页 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲

8、线UGDUT UGS(V)ID(mA)UTID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑UDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)K导电因子（导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数沟道调制长度系数前提：前提：UDS为为0或较小，使得或较小，使得UGDUT，相当于晶体管导通，相当于晶体管导通 下一页下一页上一页上一页 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID

9、D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线1.线性区线性区：当当U UDSDS为为0 0或较小时，相当或较小时，相当 U UGDGDU UT T，ID与与UDS的关系近线性的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUDS(V)ID(mA)漏源电压漏源电压U UDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用此时此时U UDSDS 基本均匀降落在沟道基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在中，沟道呈斜线分布。在U UDSDS作作用下用下I ID D线性变化，为线性区

10、线性变化，为线性区 下一页下一页上一页上一页 当当U UDSDS增加到使增加到使U UGDGD= =U UT T时，时，当当U UDSDS增加到增加到U UGDGD U UT T时，时， 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。此时的漏极电流漏极电流ID 基本饱和，为饱和区。基本饱和，为饱和区。预夹断区域加长，伸向预夹断区域加长，伸向S极。极。 ID基本基本趋于不变。趋于不变。当当U UDSDS增加到一定程度，增加到一定程度， I ID D可能可能随随U UDSDS迅速增加，直至迅速增加，直至pnpn结击穿

11、，结击穿，为击穿区为击穿区, ,此时此时U UDSDS为泄漏击穿电压为泄漏击穿电压 。2. 2. 饱和区（恒流区）饱和区（恒流区）：3.3.击穿区击穿区： 下一页下一页上一页上一页 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型（常开型）MOS场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道 下一页下一页上一页上一页N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当U UGSGS=0=0时，时，U UDSDS加正向电压，产生漏极电流加正向电压，产生漏极电流I ID D, ,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称

12、为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用I IDSSDSS表示表示当当U UGSGS0 0时，将使时，将使I ID D进一步增加进一步增加。当当U UGSGS0 0时，随着时，随着U UGSGS的减小漏极电流逐渐的减小漏极电流逐渐减小减小。直至直至I ID D=0=0。对应。对应I ID D=0=0的的U UGSGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号U UP P表示。表示。 下一页下一页上一页上一页小结：小结：MOS 沟道区沟道区(Channel)，沟道长度，沟道长度L 栅极栅极(Gate) 源区源区/源极源极(Source) 漏区漏区/漏极漏极(Drain) NMOS、PMOS、CMOS 阈值电压阈值电压Vt，击穿电压，击穿电压 特性曲线、转移特性曲线特性曲线、转移特性曲线 泄漏电流泄漏电流(截止电流截止电流)、驱动电流、驱动电流(导通电流导通电流) 下一页下一页上一页上一页作业作业讨论增强型讨论增强型PMOS晶体管的工作晶体管的工作原理原理 下一页下一页上一页上一页PMOSFETVBS0，接正偏压，接正偏压 下一页下一页上一页上一页UDSID- -+-+- -+UGS反型层反型层