场效应晶体管
场效应晶体管
aN沟道增强型MOS管 （1OS管的结构示意图及符号
把一块掺杂浓度较低 的P型半导体作为衬底， 然后在其表面上覆盖一层 SiO2的绝缘层，再在SiO2 层上刻出两个窗口，通过 扩散工艺形成两个高掺杂 的N型区(用N+表示)，并 在N+区和SiO2的表面各自 喷上一层金属铝，分别引 出源极、漏极和控制栅极。 衬底上也引出一根引线， 通常情况下将它和源极在 内部相连。
（2）工作原理 当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将 削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS 更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为 夹断电压，仍用UGS(off)表示。UGS<UGS(off)沟道消失，称为耗尽型。 4 场效应晶体管的主要参数 a直流参数 （1）开启电压UGS(th) 开启电压是增强型绝缘栅场效应晶体管的参数，栅源电压小 于开启电压的绝对值，场效应晶体管不能导通。 （2）夹断电压UGS(off) 夹断电压是耗尽型场效应晶体管的参数，当UGS=UGS(off) 时， 漏极电流为零。
（3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应晶体管，当UGS =0时所对应的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC) 场效应晶体管的栅—源电压与栅极电流之比。对于结型场效 应晶体管，反偏时RGS(DC) 略大于107Ω ，对于绝缘栅型场型效应 晶体管，RGS(DC) 约为109～1015Ω 。 b交流参数 （1）低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
bN沟道耗尽型MOS管 （1） 结构 耗尽型MOS管，是在制 造过程中，预先在SiO2绝缘 层中掺入大量的正离子， 因此，在UGS=0时，这些正 离子产生的电场也能在P型 衬底中“感应”出足够的 电子，形成N型导电沟道， 如图所示。 衬底通常在内部与源 极相连。
场效应晶体管特性
场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。
由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。
工作原理场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的漏极电流，用以栅极与沟道间的pn结形成的反偏的栅极电压控制漏极电流ID”。
更正确地说，漏极电流ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流漏极电流ID流动。
从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，漏极电流ID饱和。
将这种状态称为夹断。
这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。
但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。
其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。
而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。
分类场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
场效应管与双极性晶体管的比较，场效应管具有如下特点。
1. 场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数PowerMOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
场效应晶体管
主要内容1. 场效应管的结构、符号与工作原理2. 场效应管的工作状态和特性曲线3. 场效应管的基本特性4. 场效应管的电路模型5-4场效应晶体管场效应晶体管概述场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)，主要特点：(a)输入电阻高，可达107~1015 。
(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。
(c)体积小、重量轻、耗电省。
(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。
(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。
场效应管按结构可分为：结型场效应管（JFET ）和绝缘栅型场效应管(MOSFET )；按工作原理可分为增强型和耗尽型。
场效应管的类型N 沟道P 沟道增强型耗尽型N 沟道P 沟道N 沟道P 沟道（耗尽型）FET场效应管JFET 结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管的电路符号MOSFET 符号增强型耗尽型GS D SG D P 沟道G S DN 沟道GS D U GS =0时，没有漏极电流，U GS =0时，有漏极电流，U GS 高电平导通U GS 低电平导通需要加负的夹断电压U GS(off)才能关闭，高于夹断电压U GS(off)则导通而只在U GS >0时，能导通，低于开启电压U GS(th)截止5-4-1 场效应管结构、符号与工作原理1.场效应管基本结构图5-2-22沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号图N 沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号沟道绝缘栅型场效应管的基本结构与电路符号场效应管与三极管的三个电极的对应关系：栅极g--基极b 源极s--发射极e 漏极d--集电极c 夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。
=0时是否存在导电沟道是增强型和耗尽型的基本区别。
22例5-10在Multisim 中用IV 分析仪测试理想绝缘栅型场效应管如图5-4-3所示，改变V GS ，观察电压V DS 与i D 之间的关系。
场效应晶体管
场效应晶体管中英文介绍（field-effect transistor，缩写：FET）场效应晶体管是一种通过电场效应控制电流的电子元件。
它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。
场效应晶体管有时被称为单极性晶体管，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管（bipolar junction transistors，缩写：BJT）。
尽管由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。
历史场效应晶体管于1925年由Julius Edgar Lilienfeld和于1934年由Oskar Heil分别发明，但是实用的器件一直到1952年才被制造出来（结型场效应管，Junction-FET，JFET）。
1960年Dawan Kahng发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET），从而大部分代替了JFET，对电子行业的发展有着深远的意义。
基本信息场效应管是多数电荷载体的设备。
该装置由一个活跃的信道，通过该多数载流子，电子或空穴，从源到流向漏极。
源极和漏极端子导体被连接到半导体通过欧姆接触。
的通道的导电性的栅极和源极端子之间施加的电位是一个函数。
FET的三个端子是：源极（S），通过其中的多数载流子输入通道。
进入该通道，在S点的常规的电流被指定由IS。
漏极（D），通过其中的多数载流子离开的通道。
常规电流在D通道进入指定的ID。
漏源电压VDS。
栅极（G），调制的通道的导电性的端子。
通过施加电压至G，一个可以控制的ID。
场效应晶体管的类型在耗尽模式的FET下，漏和源可能被掺杂成不同类型至沟道。
或者在提高模式下的FET，它们可能被掺杂成相似类型。
场效应晶体管根据绝缘沟道和栅的不同方法而区分。
场效应晶体管作用和特点
场效应晶体管作用和特点
场效应晶体管（英语：field-effecttransistor，缩写：FET）是一种通过电场效应控制电流的电子元件。
它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。
场效应晶体管有时被称为单极性晶体管，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管（bipolar junction transistors，缩写：BJT）。
尽管由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。
（1）主要作用
1）场效应管可应用于放大。
由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2）场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。
常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3）场效应管可以用作可变电阻。
4）场效应管可以方便地用作恒流源。
5）场效应管可以用作电子开关。
（2）特点
1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS来控制ID；
2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。
3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
5）场效应管的抗辐射能力强；
6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
《场效应晶体管》课件
六、总结
FET的优点与缺点
总结FET的优点和限制，帮助 您全面了解这一器件。
发展前景和应用前景
展望FET在未来的发展前景， 并探讨其在各个领域的应用 前景。
拟定的改善方案
提出改善FET性能和应用的建 议和方案，促进该技术的进 一步发展。
二、结构和工作原理
FET的结构组成
了解FET的结构和组成对于理解其工作原理至关 重要。
FET的工作原理
详细介绍FET的工作原理，包括导通和截止状态 的转换。
N型和P型FET的区别
掌握不同类型FET之间的区别，并理解其不同的 工作原理。
灵敏度和增益
解释FET的灵敏度和增益，以及对电路性能的影 响。
三、特性参数
2
2. FET振荡器
探索FET作为交流放大器的应用，详细介绍FET振荡器的基本电路和简单振荡电路。
五、FET的变型
M O SFET
MOSFET是一种常见的FET变型， 具有优异的性能和应用范围。
JFET
JFET是另一种重要的FET变型，适 用于一些特定的电路和应用。
基于FET的新型器件
介绍一些基于FET技术的新型器 件，展示FET在未来的发展前景。
《场效应晶体管》PPT课 件
欢迎来到《场效应晶体管》的PPT课件！本课程将介绍场效应晶体管的概述、 结构、工作原理、特性参数、常见的电路以及FET的变型，通过详细的讲解和 实例演示，帮助您深入理解这一关键器件的原理和应用。
一、场效应晶体管概述
场效应晶体管是一种重要的半导体器件，广泛应用于电子领域。它具有独特 的优势和一定的限制，而且可以在各种应用场景中发挥重要作用。
典型的FET参数
介绍常见的FET参数，如漏极电 流、跨导和截止电压。
场效应晶体管
场效应管的测量（5）
（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小 对ＶＭＯＳ Ｎ沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极Ｓ、黑表笔接漏极Ｄ，这就相 当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表 的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极Ｇ时，会发现管的反向电阻值 有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变 化不大。 二、.场效应管的使用注意事项 （1）为了安全使用场效应管，在线路的设计中不能超过管的耗散功率，最大漏源电压、最大栅源电压 和最大电流等参数的极限值。 （2）各类型场效应管在使用时，都要严格按要求的偏置接人电路中，要遵守场效应管偏置的极性。如 结型场效应管栅源漏之间是ＰＮ结，Ｎ沟道管栅极不能加正偏压；Ｐ沟道管栅极不能加负偏压，等等。 （3）MOS场效应管由于输人阻抗极高，所以在运输、贮藏中必须将引出脚短路，要用金属屏蔽包装， 以防止外来感应电势将栅极击穿。尤其要注意，不能将MOS场效应管放人塑料盒子内，保存时最好放 在金属盒内，同时也要注意管的防潮。 （4）为了防止场效应管栅极感应击穿，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好 的接地；管脚在焊接时，先焊源极；在连入电路之前，管的全部引线端保持互相短接状态，焊接完后才 把短接材料去掉；从元器件架上取下管时，应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等；当然，如果 能采用先
具体方法：用万用表电阻的R×100档，红表笔接源极Ｓ，黑表笔接漏极Ｄ，给场效应管加 上1.5Ｖ的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的 栅极Ｇ，将人体的感应电压信
场效应管的测量（3）
号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流Iｂ都要发 生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆 动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明 管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。 根据上述方法，我们用万用表的R×100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的 Ｇ极开路，测得漏源电阻RDS为600Ω，用手捏住Ｇ极后，表针向左摆动，指示 的电阻RDS为12kΩ，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大 能力。 运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针 可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体 感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或 者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表 针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何， 只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场 效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，栅极Ｇ允许的感应电 压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金
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ZnCox L---MOSFET增益因子
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(2Fp VB VD )3/ 2 (2Fp VB VS )3/ 2
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
称为P型衬底体因子。 取VS=0、VB=0则有
Qox VT ms K (2Fp )1/ 2 2Fp Cox
3）影响VT 的几个因素 （1）栅电容 Cox （2）衬底费米势 Fp （3）金－半功函数差 （4）衬底杂质浓度N 强反型后
ms
QA qNA xd max (4q s N AFP )1/ 2
Qn qndx---沟道电子电荷面密度
0
b
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Institute of Micy Zn (Qn )dV VS VD Z I D n (Qn )dV VS L
0
L
VD
半导体器件原理
QAV
dCT
DS
ZL
衬底中等掺杂以上时，漏电流不饱和的主要原因是有效沟道调制 效应。衬底低掺杂时，以漏区－沟道耦合作用为主。 3) 亚阈区 VGS≤VT ,ID≠0 本征电压 Vi：外加栅源电压使半导体表面附近能带下弯 qFp时，半 导体表面处于本征状态，这时栅源电压称本征电压。
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对于p－MOSFET:
1 2 I D (VGS VT )VDS VDS 2
2）饱和区 VDS VGS VT
I Dsat
2
(VGS VT ) 2
VDS Ey / y不可忽略 (也可以感应出电子 )
VDS VDsat ID近似不变,但略有增加。
第四章 场效应晶体管
（2）沟道电子电荷面密度Qn与漏电流
--1.MOSFET的基本特性
衬底表面强反型后，沟道电子的屏蔽使VG增加部分几乎全落在栅氧化层 上，半导体中能带弯曲程度不再增大，即表面势和耗尽区宽都不再变化。
Qn Qs QA Cox (VG VFB s ,inv ) 2 s qNA 2Fp VB V ( y)
定义:从表面到体内平衡处的电势差,为表面势 s ,即
s ms Qox / Cox VFB
（4）实际MOS结构的阈电压VT 有效栅极电压（VG-VFB）一部分降在栅氧化层上，即 Vox ，另一 部分降在半导体上，即 s .刚发生强反型时,栅极电压VG即阈电压VT:
VT VFP Vox 2FP Q Q Qs Qn QA QA Vox m s Cox Cox 反型层电荷面密度 耗尽区中电离受主电荷面密度
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
3.
MOSFET的伏安特性 假设：①沟道内电压降忽略不计 ②扩散电流忽略不计 ③沟道内μ＝c ④缓变沟道近似
⑤强反型近似 ⑥栅氧化层内有效电荷面密度为常数 1) 非饱和区 （1）漏电流的一般表达式 忽略扩散电流，则沟道内电子电流密度为 dV J C q n nEy q n n dy b dV dV 积分：I D Z n qndx Z n (Qn ) ID 0 dy dy
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（1）有效沟道长度调制效应：VDS>VDsat,沟道有效长度随VDS增大而缩短 的现象。 VDS=VDsat时, V(L)=VDsat,夹断点电势VDsat,沟道压降也是VDsat夹断点处 栅沟电压为VGS-VDsat=VT。 VDS>VDsat时, 沟道中各点电势均上升,V(y)=VDsat位置左移,夹断点左移, 有效沟道压降不变VDsat=VGS-VT,夹断点处栅沟电压为VGS-VDsat=VT。
--1.MOSFET的基本特性
1 2 I ( V V ) V VDS VB 0,VS 0,VT D GS T DS 2 dID 0 VDsat VGS VT I Dsat (VGS VT ) 2 dVDS 2
饱和漏极电压 饱和漏极电流
2. FET按结构和工艺特点来划分
1) 结型栅场效应晶体管(JFET) 2) 肖特基势垒栅场效应晶体管(MESFET)
3) 绝缘栅场效应晶体管(IGFET)
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
2. MOSFET的阈值电压 1)MOS结构的阈电压 (1)功函数
Wm (EF)m Wm=E0 – (EF)m Ws=E0 – (EF)s --1.MOSFET的基本特性 又称开启电压，是使栅下的衬底表面开始发生强反型时的栅极电压,记为VT。 E0 E0 Ws
一般器件掺杂范围内,掺杂影响最大的是QA,故可以通过掺杂对QA的 影响来改变VT. 影响Qox的因素:①制造工艺②晶面 （5）栅氧化层中Qox ③氧化以后的工艺
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半导体器件原理
Qox QA (2FP ) 2FP Cox Cox
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VT ms
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第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
2) MOSFET的阈电压
（1）有效栅极电压为 VG VB VFB
2 s (VDS VDsat ) 沟道长度调制量： L qN A
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1 Z 1 2 I D ' nCox (VGS VT ) I Dsat ( ) 2 L 1 L / L
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第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（6）衬底偏置电压的影响 衬底偏置效应(体效应):衬底与源极之间外加衬底偏压VBS后,MOSFET 的特性将发生变化.
空间电荷面密度随偏压增大而增大.
Qox VT Vs ms K (2Fp VS VB )1/ 2 2Fp Cox
(1)OA段: 线性区,VGS决定沟道电阻 非 饱 (2)AB段: 过渡区,沟道压降影响沟 和 道电阻 区
(3)BC段: 饱和区,VDS>VDsat,之后沟道有效 长度随VDS增大而缩短,称为有效沟道长度 调变效应. (4)CD段: 击穿区,VDS≥BVDS
4)MOSFET类型 * N沟道增强型、耗尽型, P沟道增强型、 耗尽型 * 集成电路中的都是横向MOSFET,即沟道电流是水平方向流动;分立器件 中有的沟道电流是垂直方向流动的,称为纵向MOSFET。
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
--1.MOSFET的基本特性
（2）漏区静电场对沟道区的反馈作用 衬底低掺杂时，漏－衬耗尽层随VDS增大而展宽很快，宽度可 与沟道长相比拟，这时，起始于漏区的电力线不再全部终止于扩展 到衬底中的耗尽层空间电荷上，即有一大部分穿过耗尽区终止于沟 道区的可动电荷上，静电耦合。 漏-沟间存在耦合电容,使单位面积沟道区内产生的平均电荷密度 的增量为: C V
VT VT
物理意义
VBS 0
VT
VBS 0
1/ 2 V 1/ 2 K 2Fp 1 BS 1 2 Fp
电中性：Q
VGS
M
QOX Qn QA 0
VBS
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E C
(EF)s EV
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半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
(2)理想MOS结构
--1.MOSFET的基本特性 ①金半功函数差为零; ②栅氧化层内有效电荷面密度为零; ③栅氧化层与半导体界面处不存在界面态。
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
引
1. 晶体管按工作原理分类: 1) 双极型晶体管 2) 场效应晶体管(Field effect transistor: FET)
言
*20世纪三十年代:利林费尔德-场效应思想 ---通过加在半导体表面上的垂直电场来调制半导体的电导率。 *1962年前后:Si平面工艺和外延技术发展;表面态密度大大降低。
半导体器件原理
第四章 场效应晶体管
第一节 MOSFET的基本特性
1. 结构和分类 1) 结构
2) 工作原理
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