2.2.1绝缘栅场效应三极管的工作原理 绝缘栅型场效应三极管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor fet)。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 Sio 的结构示意图和符号见图 D 0213。其中: G D( Drain)为漏极,相当c; P衬底 S G(Gate)为栅极,相当b; N沟道箭头向里 衬底断开 S( Source为源极,相当e 图02.13N沟道增强型 MOSFET结构示意图(动画2-3)
N沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图 02.13。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 图02.13 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画2-3） 2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理 绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 → N沟道、P沟道 耗尽型 → N沟道、P沟道
Sio (1)N沟道增强型 MOSFET ①结构 P衬底 根据图02.13,N沟道增强 型 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是 在P型半导体上生成一层SO2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 个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的 绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为 衬底,用符号B表示
一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的 绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为 衬底，用符号B表示。 (1)N沟道增强型MOSFET ①结构 根据图02.13， N沟道增强 型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是 在P型半导体上生成一层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
②工作原理 1.栅源电压VGs的控制作用 当s=0V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管, 在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流 当栅极加有电压时,若 0<VGs<Gs时,通过栅极和 S102 衬底间的电容作用,将靠近栅极 下方的P型半导体中的空穴向下 方排斥,出现了一薄层负离子的 P衬底 电子 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 0空穴 负离子 层运动,但数量有限,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l
当栅极加有电压时，若 0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和 衬底间的电容作用，将靠近栅极 下方的P型半导体中的空穴向下 方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，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。 ②工作原理 1．栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管， 在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流
进一步增加VGs,当VGs>VGsm 时(Vos称为开启电压),由于此 时的栅极电压已经比较强,在靠近 ++++ ++++ Sio2 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子,可以形成沟道,将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压,就可以形成漏极电流l。在栅 P衬底 极下方形成的导电沟道中的电子,。大 因与P型半导体的载流子空穴极性 负离子B 相反,故称为反型层 (动画24) 随着κas的继续增加,J将不断增加。在s=0V时l=0, 只有当VGs>lest)后才会出现漏极电流,这种MOS管称为 增强型MOS管 Gs对漏极电流的控制关系可用 GS/VDs=const 这一曲线描述,称为转移特性曲线,见图02.14
VGS对漏极电流的控制关系可用 ID =f(VGS)VDS=const 这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图02.14。 进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th) 时（ VGS(th) 称为开启电压)，由于此 时的栅极电压已经比较强，在靠近 栅极下方的P型半导体表层中聚集较 多的电子，可以形成沟道，将漏极 和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。在栅 极下方形成的导电沟道中的电子， 因与P型半导体的载流子空穴极性 相反，故称为反型层。 (动画2-4） 随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0， 只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为 增强型MOS管
ID/mA Vc=10V Df(VGs)I Yps-const 2 6 GS 图02.14VGs对漏极电流的控制特性—转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gn的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。gm的量纲为mAV,所以 gn也称为跨导。跨导的定义式如下 gn=△lD△ vcsI vose=ont(单位mS)
图02.14 VGS对漏极电流的控制特性——转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压 对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以 gm也称为跨导。跨导的定义式如下 gm =ID/VGS VDS=const (单位mS) ID =f(VGS)VDS=const
2.漏源电压VDs对漏极电流的控制作用 当s>Vscm),且固定为某一值时,来分析漏源电 压Ds对漏极电流l的影响。VDs的不同变化对沟道的影 响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系 DS DG V GS VGotVgs D GD GS DS 当Vs为0或较小时, 相当Vs>Vscm),沟道分 P衬底 布如图0215(a),此时Vs 基本均匀降落在沟道中 沟道呈斜线分布。 图02.15(a)漏源电压Vs对 沟道的影响(动画2-5)
2．漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电 压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影 响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系 VDS=VDG＋VGS =－VGD＋VGS VGD=VGS－VDS 当VDS为0或较小时， 相当VGS＞VGS(th)，沟道分 布如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 图02.15(a) 漏源电压VDS对 沟道的影响(动画2-5)
当Vs为0或较小时,相当V> 如图0215(a),此时Vs基本均匀降落可可 呈斜线分布。 当VDs增加到使Gs=Vs时,沟 示。这相当于增加使漏极处沟道乡 P衬底 情况,称为预夹断。 当VDs增加到vs<Vosc,时,沟道 此时预夹断区域加长,伸向S极。 降落在随之加长的夹断沟道上,D基 GS(th), 且固定为某一值时 即1=f(VDs)s=on这一关系曲线如图 P衬底 曲线称为漏极输出特性曲线
当VDS为0或较小时，相当VGS＞VGS(th)，沟道分布 如图02.15(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道 呈斜线分布。 当VDS增加到使VGS=VGS(th)时，沟道如图02.15(b)所 示。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。 当VDS增加到VGSVGS(th)时，沟道如图02.15(c)所示。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 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。 当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时， VDS对ID的影响， 即ID =f(VDS)VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这 一曲线称为漏极输出特性曲线
可变电阻区 D/mg losi vGs-const Voc=6v 击穿区 恒流区 VGS =5v V≈s=4 GS =3V Gs(th) :2V 5101520 DS 图02.16漏极输出特性曲线
图02.16 漏极输出特性曲线 ID =f(VDS)VGS=const
(2)N沟道耗尽型 MOSFET N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如图 02.17a所示,它是在栅极下方的SO绝缘层中掺 入了大量的金属正离子。所以当VGs=0时,这些正 离子已经在感应出反型层,在漏源之间形成了沟 道。于是只要有漏源电压,就有漏极电流存在。 当Gs>0时,将使进一步增加。Vos≤<0时, 随着Gs的减小漏极电流逐渐减小,直至J=0。对 应=0的s称为夹断电压,用符号TGsm表示, 有时也用V表示。N沟道耗尽型 MOSFET的转移特 性曲线如图02.17(b所示
(2)N沟道耗尽型MOSFET 当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时， 随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对 应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示， 有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特 性曲线如图02.17(b)所示。 N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图 02.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺 入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正 离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟 道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在
G D/mA SIO DSS H++ G P衬底 GS/V B (a)结构示意图 (b)转移特性曲线 图02.17N沟道耗尽型 MOSFET的结构 和转移特性曲线
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线 图02.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构 和转移特性曲线