第六节场效应管

第六节场效应管 • 英文缩写：FET • 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件，从制做工艺的结法上分为两大类型： • 第一类：结型场效应管（JFET） • 第二类：绝缘栅型场效应管（IGFET） • 又称：金属一氧化物一半导体型（MOSFET）; 简称 MOS型场效应管。

其中MOS场效管具有制造工艺简单，占用芯片面积小，器件的特性便于控制等特点。因此MOS管是当前制造超大规模集成电路的主要有源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电路技术。其中MOS场效管具有制造工艺简单，占用芯片面积小，器件的特性便于控制等特点。因此MOS管是当前制造超大规模集成电路的主要有源器件，并且已开发出许多有发展前景的新电路技术。

一、MOS场效应管 • MOS管又分为增强型（EMOS）两种 • 耗尽型（DMOS） • 每一种又有 N沟道型 • P沟道型 • 所以一共有四种： • N沟道增强型（NEMOS） P沟道增强型（PEMOS） • N沟道耗尽型（NDMOS） P沟道耗尽型（PDMOS）

现在以N沟道增强型为例讨论MOS管的工作原理：现在以N沟道增强型为例讨论MOS管的工作原理： 1、结构：NEMOS管以P型硅片为衬底。 • 再在衬底上扩散两个N+区（高掺杂），分别为源区和漏区。则源区和漏区分别与P型衬底形成两个PN+结。 • 在P型衬底表面生长着一薄层的二氧化硅（SiO2）的绝缘层，并在两个N+区之间的绝缘层上覆盖一层金属，然后在上面引出电极为栅极（G）； • 源区和漏区引出的电极分别为源极（S）和漏极（D） • 而从衬底通过P+引线引出的电极称为衬底极（U）。

如下图所示：

2、电路符号：如各图片所示 • 3、工作原理： • 在栅极电压VGS作用下，漏区和源区之间形成导电沟道。然后在漏极电压VDS作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产生自漏极流向源极的电流。 • 因此，改变栅极电压VGS即可控制导电沟道的导电能力，使漏极电流ID发生变化，从而起到正向控制作用。

（1）导电沟道形成原理： • 在通常情况下，源极（S）一般都与衬底极（U）相连，即VUS=0；而正常工作时，源区和漏区的两个N+区与衬底之间的PN结必须加反偏电压，因此，漏极对源极的电压VDS必须为正值。 • 即正常工作时： VGS > 0,VDS > 0，且VDS > VGS • ① 先设VDS= VGS= 0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。

② 加上VGS>0，产生自SiO2→P型衬底的电场E，电场E将两个N+区的多子电子和P型衬底中的少子电子吸向衬底的表面与多子空穴复合而消失，同时又排斥衬底中的空穴向P的底层。 • 这样在衬底表面的薄层中形成以负离子为主的空间电荷区，并与两个PN结的空间电荷区相通。 • 此时，由于电荷平衡原理，空间电荷区的纯负电荷量等于金属栅上的正电荷量。可见，当VGS= 0或较小的正值时，源区和漏区之间均被空间电荷区隔断。

VDS = VGS = 0，两个N+区各自被空间电荷区包围而隔断。 • UDS = 0，0 ＜ UGS ＜ UGS（TH）时，形成空间电荷区

③ 增大VGS，使两个N+区和衬底中的电子进一步被吸引到衬底表面的薄层中，并进一步排斥该薄层中的空穴，直到其间自由电子浓度大于空穴浓度，则薄层的导电类型就由原来的P型转变为N型，且与两个N+区相通，因此我们称这时的薄层为反型层。而由P型转变而来的。 • ④ 当外加VDS>0时，源区中多子电子将沿这个反型层漂移到漏区D，形成自漏极D流向源极S的漏极电流ID。 • 因此，通常将反型层称为源区和漏区之间的导电沟道。这个沟道由电子形成，故称为N沟道。

可以看出，VGS↑反型层中的自由电子浓度↑，沟道导电能力↑，则在VDS 作用下的 ID↑。 • 形成反型层后，根据电荷平衡原理，反型层中的电子电荷量和空间电荷区中的负离子电荷量之和等于金属栅上的正电荷量。 • ⑤ 现将刚开始形成反型层所需的VGS 值称为开启电压，用 VGS(th) 表示，VGS(th) 的大小决定于MOS管的工艺参数。 • 当VGS < VGS(th) 时，沟道未形成，（或称为沟道被夹断）。此时在VDS 作用下的ID = 0 • 当VGS > VGS(th)时，沟道形成，ID随VGS增大而增大。

（2）VDS对沟道导电能力的控制 • 当NEMOS管在形成沟道后，在正值电压VDS作用下，源区的多子电子沿着沟道行进行到漏区，形成漏极电流ID。 • 由于ID通过沟道形成自漏极到到源极方向的电位差。因此加在“平极电容器”上的电压将沿着沟道而变化: 近源极端的电压最大，其值为VGS，相应的沟道最深； • 离开源极端，越向漏极端靠近，电压就越小，沟道也就越浅；直到漏极端，电压最小，其值为： • VGD = VGS - VDS，相应的沟道最浅。 • 因此，在VDS作用下，导电沟道的深度是不均匀的，呈锥状变化，如下图：

（3）沟道长度调制效应 • 但在实际上，预夹断后，继续增大VDS，夹断点A会略向源极S方向移动，导致A点到S极之间的沟道长度略有减小，相应的沟道电阻就略有减小，从而有更多电子漂移到A点，造成ID略有增大，如上图中虚线所示，这种效应我们称为场效应管的沟道长度调制效应。（显然，这种效应与三极管中的基区宽度调制效应类似）一般情况下，由VDS引起的ID的增大是很小的，可以忽略。

（4）结论 • 通过对EMOS管的工作原理的阐述，我们可以看到，MOS管是依靠多子电子的一种载流子进行导电的，所以是单极型器件，而晶体三极管是依靠电子和空穴两种载流子导电的，所以是双极型器件。

4、伏安特性 • （以共源极MOS电路为例）在MOS管中，输入栅极电流是平板电容器的泄漏电流，其值近似为零，因此MOS管的伏安特性我们只讨论输出特性： ID = f(VDS)|Vgs=常数 • 如右图示为N沟道的EMOS管的输出特性，分为四个区：非饱和区、饱和区、截止区和击穿区。

饱和区 非饱和区截止区亚阀区

晶体管与场效应管的对比

二、P沟道EMOS场效应管 • 结构：在N型衬底中，扩散两个P+区，分别作为漏区和源区，并在两个P+区之间的SiO2绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了P沟道EMOS管。 • 工作原理：为保证PN结反偏，且在绝缘层下形成反型层，衬底必须接在电路的最高电阻上，且VGS和VDS必须为负值。在VDS作用下，形成自源区流向漏区的空穴电流ID。 • 电路符号：

三、耗尽型MOS场效应管（DMOS） • （1）结构： • DMOS与EMOS管在结构上类似，唯一差别为：衬底表面扩散了一薄层与衬底导电类型相反的掺杂区，作为漏、源区之间的导电沟道，如图： • （2）相对应的电路符号：

四、四种MOS场效应管的比较 • 表3-1-1

五、结型场效应管（JFET） • 分为N沟道和P沟道： • 电路符号：

六、场效应管的应用 • 场效应管与晶体管三极管一样，也是具有非线性和可控性的三端器件，因而用晶体三极管构成的功能电路一般也能用场效应管来实现。 • 如：放大电路、电流源、 • 有源电阻、开关器件等。

UGS=0时无沟道

0＜UGS＜UT时出现耗尽层

UGS≥UT时出现N沟道

UDS较大时沟道夹断

UGS=0时出现无沟道 0＜UGS＜UT时出现耗尽层 UDS较大时沟道夹断 UGS≥UT时出现N沟道

第六节场效应管