第四章场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器 件,是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的 载流子来划分,它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件 N沟道 结型 P沟道 场效应管: 增强型 N沟道耗尽型 MOS型 P沟造「增强型 耗尽型
第四章 场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器 件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的 载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件。 场效应管： 结型 N沟道 P沟道 MOS型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
§41绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field effect transister) 绝缘栅型场效应管 IGFET有称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor fet是一种利用半导体 表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极 电流的器件,它的栅极与半导体之间是绝缘的,其电阻大于 1099 增强型:Ves=0时,漏源之间没有导电沟道, 在VD作用下无ip 耗尽型:Vs=0时,漏源之间有导电沟道, 在VD作用下ip
§4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister) 绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体 表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极 电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于 109。 增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。 耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD
结构和符号(以N沟道增强型为例) GATE N沟道增强型 MOSFET拓 D 扑结构左右对称,是在 块浓度较低的P型硅上生成 OXIDE 层SO2薄膜绝缘层,然 SOURCE DRAIN 后用光刻工艺扩散两个高 (n+ CHANNEL LENGTH(L) 掺杂的N型区,从N型区引 SUBSTRATEP-SI 出电极作为D和S,在绝缘层 S D D 上镀一层金属铝并引出 个电极作为G D( Drain):漏极,相当c N N + G(Gate:栅极,相当b N沟道箭头向里 S( Source):源极,相当e P衬底 衬底断开 B( Substrate):衬底 结构动画
1. 结构和符号（以N沟道增强型为例） N沟道增强型MOSFET拓 扑结构左右对称，是在一 块浓度较低的P型硅上生成 一层SiO2 薄膜绝缘层，然 后用光刻工艺扩散两个高 掺杂的N型区，从N型区引 出电极作为D和S,在绝缘层 上镀一层金属铝并引出一 个电极作为G D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底 结构动画
2.工作原理(以N沟道增强型为例) (1)栅源电压vs的控制作用 (a)Vos=0时,漏源之间相当 两个背靠背的二极管,在D、 S之间加上电压,不管Vs极 6102 性如何,其中总有一个PN结 N 反向,所以不存在导电沟道 GS 0, P衬底 电子 Vcs必须大于0 0空穴 管子才能工作。 负离子
2. 工作原理（以N沟道增强型为例） (a) VGS=0时，漏源之间相当 两个背靠背的 二极管，在D、 S之间加上电压，不管VDS极 性如何，其中总有一个PN结 反向，所以不存在导电沟道。 VGS =0， ID =0 VGS必须大于0 管子才能工作。 （1）栅源电压VGS的控制作用
(1)栅源电压Vs的控制作用 (b)当栅极加有电压时,若 D 0<KGs<VGsm(称为开 启电压)时,在Sio2介质中产生 个垂直于半导体表面的电场, ++++ S102 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。但由于电场强度有限,吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限,不足以形成沟道,将漏极 P衬底 和源极沟通,所以不可能以形 电子 成漏极电流/ 空 负离子 0<Vc<,ID=0
（1）栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th) （ VT 称为开 启电压)时，在Sio2介质中产生 一个垂直于半导体表面的电场， 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。 但由于电场强度有限，吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限，不足以形成沟道，将漏极 和源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。 0＜VGS＜VT ，ID=0
(1)栅源电压Vs的控制作用 (c)进一步增加vs,当Vs>V时, S G D 由于此时的栅极电压已经比较强, 栅极下方的P型半导体表层中聚集 ++++4+++ S102 较多的电子,将漏极和源极沟通, 形成沟道。如果此时Vm>0,就可下N+N=下1+ 以形成漏极电流l。在栅极下方导 电沟道中的电子,因与P型区的载 流子空穴极性相反,故称为反型 P衬底 电子 层。随着s的继续增加,反型层。空穴 变厚,b增加 负离子 B Ves>0→g吸引电子→反型层→导电沟道 Vcs个→反型层变厚→VDs↑→D个 栅源电压Vs的 控制作用动画
（1）栅源电压VGS的控制作用 (c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时， 由于此时的栅极电压已经比较强， 栅极下方的P型半导体表层中聚集 较多的电子，将漏极和源极沟通， 形成沟道。如果此时VDS>0，就可 以形成漏极电流ID。在栅极下方导 电沟道中的电子，因与P型区的载 流子空穴极性相反，故称为反型 层。随着VGS的继续增加，反型层 变厚，ID增加 VGS >0→g吸引电子→反型层→导电沟道 VGS →反型层变厚→ VDS →ID 栅源电压VGS的 控制作用动画
(2)漏源电压vs对漏极电流b的控制作用 (2)漏源电压Vs对漏极电流石的控制作用 H (a)如果V>V且固定为某一值, DS DG + GS DtgS GD GS DS 为0或较小时 GD GS DS >V,沟道分布如图 N+∵ N + ,此时Ds基本均匀降落在沟道中, 沟道呈斜线分布 P衬底 这时,D随VD增大。 VDs↑→D↑
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （a）如果VGS＞VT且固定为某一值， VDS =VDG＋VGS =－VGD＋VGS VGD =VGS－VDS VDS为0或较小时， VGD =VGS－VDS ＞VT，沟道分布如图 ，此时VDS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 这时，ID随VDS增大。 VDS →ID （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
(2)漏源电压vs对漏极电流b的控制作用 (b)当VD增加到使VGD=V 时,沟道如图所示,靠近漏 D 极的沟道被夹断,这相当于 DS 增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况,称为预夹 断 ●●·●●●●●··A N N P衬底 B
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （b）当VDS增加到使VGD =VT 时，沟道如图所示，靠近漏 极的沟道被夹断，这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况，称为预夹 断
(2)漏源电压vs对漏极电流b的控制作用 (c)当V增加到TD不变 P衬底 漏源电压Vs对 沟道的影响动画
（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VDS →ID 不变 （c）当VDS增加到VGDVT时，沟 道如图所示。此时预夹断区域加 长，向S极延伸。 VDS增加的部分 基本降落在随之加长的夹断沟道 上， ID基本趋于不变 漏源电压VDS对 沟道的影响动画
3.特性曲线(以N沟道增强型为例) 转移特性曲线的斜率gn的大小反 m A DS =10V 映了栅源电压vGs对漏极电流l 的控制作用。gn的量纲为mAV 3 2 ,称为跨导。 gn=△D/△Vss= const 246 DVGs)I vDs-=const 转移特性曲线 行山 在恒流区,i=D0(-1)21是vs=2V时的值 T
ID =f(VGS)VDS=const 转移特性曲线 iD vGS /V ID =f(VDS)VGS=const 输出特性曲线 vDS /V iD 3. 特性曲线（以N沟道增强型为例） 在恒流区， D 是 G S T 时的 D 值 T G S D D I v i V v i I ( -1) 0 2V 2 = 0 = 转移特性曲线的斜率gm的大小反 映了栅源电压VGS对漏极电流ID 的控制作用。 gm 的量纲为mA/V ，称为跨导。 gm =ID/VGS VDS=const