4.1-MOS场效应晶体管的结构-工作原理.ppt
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场效应晶体管有二种结构形式:
1.绝缘栅型场效应晶体管又分增强型和耗尽型二类2.结型场效应晶体管-只有耗尽型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用,绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽型两大类,每类中又有N沟道和P沟道之分。
不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类,场效应晶体管的种类要多一些。
但是它们的工作原理基本相同,所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明。
4.1MOS场效应晶体管的结构、工作原理,N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。
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4.1N沟道增强型MOSFET结构示意图(动画),绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。
分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道,1N沟道增强型MOSFET的结构,取一块P型半导体作为衬底,用B表示。
用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。
然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。
扩散两个高掺杂的N型区。
从而形成两个PN结。
(绿色部分),从N型区引出电极,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。
N沟道增强型MOSFET的符号如左图所示。
左面的一个衬底在内部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要在外部连接。
动画2-3,2N沟道增强型MOSFET的工作原理,对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理,分两个方面进行讨论,一是栅源电压UGS对沟道会产生影响,二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响,从而对输出电流,即漏极电流ID产生影响。
1栅源电压UGS的控制作用,先令漏源电压UDS=0,加入栅源电压UGS以后并不断增加。
UGS带给栅极正电荷,会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走,从而形成一层负离子层,即耗尽层,用绿色的区域表示。
同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷,若电子数量较多,从而在漏源之间可形成导电沟道。
沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反,称为反型层。
此时若加上UDS,就会有漏极电流ID产生。
反型层,当UGS较小时,不能形成有效的沟道,尽管加有UDS,也不能形成ID。
当增加UGS,使ID刚刚出现时,对应的UGS称为开启电压,用UGS(th)或UT表示。
动画2-4,2漏源电压UDS的控制作用,设UGSUGS(th),增加UDS,此时沟道的变化如下。
显然漏源电压会对沟道产生影响,因为源极和衬底相连接,所以加入UDS后,UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内,漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。
所以加入UDS后,在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区,从而影响沟道的导电性。
当UDS进一步增加时,ID会不断增加,同时,漏端的耗尽层上移,会在漏端出现夹断,这种状态称为预夹断。
预夹断,当UDS进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展,此时ID基本不再增加,增加的UDS基本上降落在夹断区。
动画2-5,3N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线。
1)转移特性曲线,N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示,它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系,可用这个关系式来表达,这条特性曲线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm称为跨导。
这是场效应三极管的一个重要参数。
单位mS(mA/V),2)漏极输出特性曲线当UGSUGS(th),且固定为某一值时,反映UDS对ID的影响,即ID=f(UDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。
场效应三极管作为放大元件使用时,是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区,从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。
但是改变UGS可以明显改变漏极电流ID,这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。
曲线分五个区域:
(1)可变电阻区,
(2)恒流区(放大区),(3)截止区,(4)击穿区,(5)过损耗区,可变电阻区,截止区,击穿区,过损耗区,从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线,过程如下:
4N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。
所以当UGS=0时,这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。
于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。
当UGS=0时,对应的漏极电流用IDSS表示。
当UGS0时,将使ID进一步增加。
UGS0时,随着UGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。
对应ID=0的UGS称为夹断电压,用符号UGS(off)表示,有时也用UP表示。
N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示。
夹断电压,IDSS,P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。
这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
关于场效应管符号的说明:
N沟道增强型MOS管,衬底箭头向里。
漏、衬底和源、分开,表示零栅压时沟道不通。
表示衬底在内部没有与源极连接。
N沟道耗尽型MOS管。
漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。
N沟道结型MOS管。
没有绝缘层。
如果是P沟道,箭头则向外。