绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅场效应管（IGFET）的基本知识
绝缘栅场效应管（IGFET）的基本知识绝缘栅场效应管(IGFET) 的基本知识1.增强型NMOS管s：Source 源极，d：Drain 漏极，g：Gate 栅极，B：Base 衬底，在P型衬底扩散上2个N 区，P型表⾯加S i O2绝缘层，在N 区加铝线引出电极。
2.增强型PMOS管在N型衬底上扩散上2个P 区，P型表⾯加S i O2绝缘层，在⼆个P 区加铝线引出电极。
PMOS与NMOS管的⼯作原理完全相同，只是电流和电压⽅向不同。
3.增强型NMOS管的⼯作原理正常⼯作时外加电源电压的配置：(1)V GS=0, V DS=0：漏源间是两个背靠背串联的PN结，所以d-s间不可能有电流流过，即i D≈0。
(2)当V GS＞0，V DS=0时：d-s之间便开始形成导电沟道。
开始形成导电沟道所需的最⼩电压称为开启电压V GS(th)(习惯上常表⽰为V T)。
沟道形成过程作如下解释：此时，在栅极与衬底之间产⽣⼀个垂直电场(⽅向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表⾯感应出电⼦层(反型层)使两个N 区沟通，形成N型导电沟道。
如果，此时再加上V DS电压，将会产⽣漏极电流i D。
当V GS＝0时没有导电沟道，⽽当V GS增强到＞V T时才形成沟道，所以称为增强型MOS 管。
并且V GS越⼤，感应电⼦层越厚，导电沟道越厚，等效沟道电阻越⼩，i D越⼤。
(3)当V GS>VT，V DS>0后，漏-源电压V DS产⽣横向电场：由于沟道电阻的存在，i D沿沟道⽅向所产⽣的电压降使沟道上的电场产⽣不均匀分布。
近s端电压差较⾼，为V GS；近d端电压差较低，为V GD＝V GS-V DS，所以沟道的形状呈楔形分布。
1)当V DS较⼩时：V DS对导电沟道的影响不⼤，沟道主要受V GS控制，所以V GS为定值时，沟道电阻保持不变，i D随V DS增加⽽线性增加。
此时，栅漏间的电压⼤于开启电压，沟道尚未夹断，。
场效应管
MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和 P沟道增强型管。
MOS管的特点
输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易 集成。
N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点
1. 工作原理
绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”
的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的
一、结型场效应管(JFET)
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号
在同一块N型半导体上制作两 个高掺杂的P区，并将它们连 接在一起，引出的电极称为栅 极G，N型半导体的两端引出 两个电极，一个称为漏极D， 一个称为源极S。P区与N区交 界面形成耗尽层，漏极和源极 间的非耗尽层区域称为导电沟 道。
直流输入电阻 RGS ：其等于栅源电压与栅极电流之比，结型管的 RGS 大于10^7 欧，而MOS管的大于10^9欧。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控 制作用。 ΔI D gm ΔU GS U DS 常数 单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：
① uGS 0时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加， 由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减 小，漏电流成指数规律的增加。
mos管测量方法图解
mos管测量方法图解
mos管测量方法图解
场效应管英文缩写为FET.可分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOSFET），我们平常简称为MOS管。
而MOS管又可分为增强型和耗尽型而我们平常主板中常见使用的也就是增强型的MOS管。
下图为MOS管的标识
我们主板中常用的MOS管G D S三个引脚是固定的。
不管是N沟道还是P沟道都一样。
把芯片放正。
从左到右分别为G极D极S极！如下图：
用二极管档对MOS管的测量。
首先要短接三只引脚对管子进行放电。
1然后用红表笔接S极。
黑表笔接D极。
如果测得有500多的数值。
说明此管为N沟道。
2黑笔不动，用红笔去接触G极测得数值为1.
3红笔移回到S极，此时管子应该为导通。
4然后红笔测D极，而黑笔测S极。
应该测得数值为1.（这一步时要注意。
因为之前测量时给了G极2.5V万用表的电压，所以DS之间还是导通的，不过大概10几秒后才恢复正常。
建议进行这一步时再次短接三脚给管子放电先）
5然后红笔不动，黑笔去测G极，数值应该为1
到此我们可以判定此N沟道场管为正常。
绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管（Insulated-GateField-EffectTransistor，IGFET）也称为绝缘介质场效应晶体管，是一种场效应晶体管，具有线性特征，它使用了加入了一个带有外部驱动器的可控场栅。
IGFET 包括金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），极化金属氧化物场效应晶体管（PMOSFET）和准分立双极型（JFET）场效应晶体管。
这些晶体管的操作或依赖较小的电场，作出反应，它们是基于场栅的控制，而不是电流。
它们有很多优点，例如有很小的电场驱动和能耗，以及宽的通行范围和高的集电极电压利用率，它们也有很小的磁耦合和抗漏电能力（EMI）影响。
绝缘栅场效应管的工作原理绝缘栅场效应管（IGFET）是由一个晶体管和一个控制电极组成的，它在工作时受到一种较小的外加电场的作用，由控制电极控制，从而控制了晶体管的电流通过。
它有三个端口，栅极（G），源极（S）和漏极（D）。
当隔离场介电层（它在栅极和晶体管的源极/漏极之间）被电场作用激活，电流就会从源极进入漏极，即由此产生管的当量电路效果，从而实现将外加的小电场控制的输入信号转换为输出电流的功能。
绝缘栅场效应管的应用绝缘栅场效应管（IGFET）在许多电子电路中都有广泛的应用，其中最常见的是开关模式，用于将输入信号转换为输出相应的开关状态。
它们还可用于模拟应用，例如控制放大器，滤波器和电源管理等。
在微处理器和其他综合电路中，它们用作开关和驱动器。
此外，绝缘栅场效应管还可以用于制作高功率放大器，电动机驱动器和电源控制器等。
绝缘栅场效应管的发展绝缘栅场效应管（IGFET）被发明于1960年，它有着可充电量子井层结构，更高效率，更低漏电流等诸多优点，使其在微电子领域取得了巨大成功。
随着技术的进步，新型绝缘栅器件不仅可以提高集电极电压利用率，而且可以在更高的温度和频率范围内工作，因此可以将这类器件应用于更多的工程领域。
未来，绝缘栅场效应管将成为集成电路中更可靠、抗漏电、节能的控制元件。
绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET)的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。
又因为栅极为金属铝，故又称为MOS(Metal-Oxide-Semicondutor)管。
a. N沟道增强型MOS管结构示意图b. 符号(符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。
)与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种。
因此MOS管分为四种类型：N沟道增强型、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。
(凡栅-源电压U GS为零时漏极电流也为零的管子，均属于增强型管；凡栅-源电压U GS为零漏极电流部位零的管子均属于耗尽型管。
)一、N沟道增强型MOS管N沟道增强型MOS管结构和符号如上图所示，它一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两上高掺杂的N+ 区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体之上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g。
通常衬底与源极接在一起使用。
这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。
当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
1、工作原理①栅-源电压U GS的控制作用①当U GS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。
②当U DS=0且U GS＞0V时(由于SiO2的存在，栅极电流为零，但是栅极金属层将聚集正电荷)→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥(使之剩下不能移动的负离子区)→耗尽层。
③再增加U GS →纵向电场↑→耗尽层增宽→将P区少子电子聚集到P区表面(耗尽层与绝缘层之间) →形成一个N型薄层，称为反型层，整个反型层就构成漏-源之间的导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流i d。
MOS管(新)
为受控于VGS的可变电阻 11
(3) 放大区 产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，VDS VGS - VT
VDSID不变 处于饱和区的场效应管相当于一个压控电流源
在预夹断临界条件下VDS =VGS - VT 由此得到饱和区的V-I特性表达式：
iD K n (v G S V T )2 K n V T 2 (v V G T S 1 )2 ID O (v V G T S 1 )2
结反向，所以不存在导电
沟道。
(a) VGS =0， ID =0
VGS必须大于0
管子才能工作。
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（b） 0＜VGS＜ VT （ VT 称为开 启电压)
在Sio2介质中产生一个垂直于 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。
这种在VGS =0时没有导电沟道，
依靠栅源电压的作用而形成感生
沟道的FET称为增强型FET
VGS >0g吸引电子反型层导电沟道
VGS 反型层变厚 VDS最新课件 ID
6
（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， VGD=VGS－VDS VDS为0或较小时，
2、夹断电压VP ：在VDS为一固定数值时，使 ID对应一微小电流 时的 |VGS | 值。（耗尽）
3、饱和漏极电流IDSS ：在VGS = 0时， VDS > |VP |时的漏 极电流。（耗尽）
4、极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.1~1pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为1~3pF。
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《模拟电子技术》课件第4章场效应管及其基本放大电路
iD(mA)
vGS=7V vGS=5V
vGS=3V
vDS/V
N沟道增强型MOSFET
3） V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性
N沟道增强型MOSFET
iD f (vDS ) vGSconst.
① 截止区 当vGS＜VT时，导电沟道尚未形 成，iD＝0，为截止工作状态。 ② 可变电阻区
p+
p+p+ p+
沟道电阻增大。 3）当│vGS│↑到一定值时 ，
VGVGGG VGG
NN N
沟道夹断。
ss
s
当沟道夹断时，对应的栅源电压
vGS称为夹断电压VP 。
N沟道的JFET，VP <01。5
N沟道JFET工作原理
② vDS对iD的影响 （vGS =0）
1）当vDS=0时，iD=0。
2） vDS iD
短由线于表栅示极在未与加源适极当、栅漏压极前漏均极无与电源接极触之，间无故导称电绝沟缘道栅。极。
§4.1 场效应管
一、金属氧化物-半导体（MOS）场效应管 1.N沟道增强型MOSFET
1）结构（N沟道）L ：沟道长度 W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度 通常 W > L
3
2）工作原理
s 二氧化硅
§4.1 场效应管
场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一
种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，
因此它是单极型器件。
MOSFET 增强型
绝缘栅型场效应管 耗尽型
FET分类：
JFET
N沟道
结型场效应管 P沟道
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
MOSFET
1、电压控制器件，漏极电流 受栅源极电压控制。 2、只有一种载流子参与导电 3、栅极与沟道间是绝缘的
栅极绝缘，电流几乎为零，输入电阻很高， 称为绝缘型场效应管.
图1.MOSFET基本结构图
N沟道增强型场效应管的特性曲线
2、阈值电压VTh：反型载流子浓度与衬底中多数载流子相等时所需要的栅源电压
图2.ZnO纳米晶场 效应管结构
底部接触的ZnO纳米晶场效应管 栅介质：SiO2（200nm） 栅极G：Si衬底 源极S：Au（80nm） 漏极D：Ti(3nm) 沟道长度L：70μm 沟道宽度Z：4mm ZnO NC：90nm ALD-ZnO：5nm
Journal of Alloys and Compounds 804(2019)213-219
ALP ZnO 前-----------后
转移特性 漏极输出特性
载流子迁移率μ
4.610-6 cm2 / V s
1.410-4 cm2 / V s
阈值电压Vth 19v-4.8v
VGS Vth , ID 0
Vth
VDS
VGS
Vth , ID
C
W L
VGS
Vth VDS
VDS
VGS
Vth , ID
C
W 2L
VGS
Vth流子迁移率μ：载流子（电子或空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，反应漏源电 流对栅电压的敏感程度。单位为cm2/V·s
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绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅型场效应管之图解
N 沟道绝缘栅型场效应管结构动画
其他MOS 管符号
绝缘栅型场效应管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
增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 漏源之间有导电沟道，在
VDS 作用下iD 。
1.结构和符号（以
在一块浓度较低的 覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。
N 沟道增强型为例）
P 型硅上扩散两个浓度较高的 P 衬底
00 Qo
在VDS 作用下无iD o 耗尽型：VGS=0时,
N 型区作为漏极和源极，半导体表面
D
W
S
N 沟ifi 箭头
问里 衬
底斷开
S 心
1
I
衬底
S
N沟道
衬底
2.工作原理(以N沟道增强型为例)
(1) VGS=0时，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反偏，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。
(2) VGS>0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。
T|l
戶
-iH
Vos
g
TTI
d n -
VGS 达到一定值时P 区表面将形成反型层把两侧的
沟通，形成导电沟道。
VGS >A g 吸引电子7反型层7导电沟道 VGSf f 反型层变厚7 VDS ID ?
⑶VGS> VT时而VDS较小时:
VDS— ID t
VT:开启电压，在VDS作用下开始导电时的VGS
VT = VGS —VDS V DS V GS
V GS
3. 特性曲线（以N 沟道增强型为例）
场效应管的转移特性曲线动画
g =丿着-1）2 Aa （j 是％卅=2齐・|【寸的//丫
4. 其它类型MOS 管
制造时在栅极绝缘层中掺有大量的正离子， 所以即使在VGS=0时,
N 区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。
4/D
4-
2-
K 夹端轨迹
\bs-6V
壯严厲V s
■ ■ _ _2y ;
n
I I
I I I ■
2 4 6 8 iO 12
（1） N 沟道耗尽
型: 由于正离子的作用，
PN 结 衬底
-4 J
Vbs=5
I ! ^GS
g
其它类型MOS 管
（2） P 沟道增强型：VGS = 0时，ID = 0开启电压小于零，所以只有当 VGS < 0时管子
才能工作。
5. 场效应管的主要参数
⑴ 开启电压VT :在VDS 为一固定数值时，能产生ID 所需要的最小IVGS |值。
（增 强）
PN 结
衬底
V D V GS
'bs
（3） P 沟道耗尽型：制造时在栅极绝缘层中掺有大量的负离子，
由于负离子的作用，两个 P 区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。
所以即使在VGS=0时,
低频跨导gm :表示
VGS 对iD 的控制作
用。
gm 是曲线在某点上的斜率，也可由 iD 的表达式求导得出,
(6)最大漏极电流IDM
⑺最大漏极耗散功率 PDM
(8)漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS
⑵ (耗尽) 夹断电压VP :在VDS 为一固定数值时，使
ID 对应一微小电流时的 |VGS |值。
饱和漏极电流IDSS : 在VGS = 0时，管子发生预夹断时的漏极电流。
(耗尽) 极间电容：漏源电容
CDS 约为〜1pF ,栅源电容CGS 和栅漏极电容CGD 约为1
3pF。
在转移特性曲线上,
单位为S 或mS 。