第一章 半導體器件基礎

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1、第四章場效應管放大電路場效應管是一種利用電場效應來控制電流的一種半導體器件，是僅由一種載流子參與導電的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。場效應管：結型N溝道P溝道MOS型N溝道P溝道增強型耗盡型增強型耗盡型§4.1絕緣柵型場效應管(InsulatedGateFieldEffectTransister)絕緣柵型場效應管IGFET有稱金屬氧化物場效應管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)是一種利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它

2、的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻大于109?。增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道，在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道，在VDS作用下iD。1.結構和符號（以N溝道增強型為例）N溝道增強型MOSFET拓撲結構左右對稱，是在一塊濃度較低的P型硅上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極作為D和S,在絕緣層上鍍一層金屬鋁并引出一個電極作為GD(Drain):漏極，相當cG(Gate):柵極，相當bS(Source):源極，相當eB(Substrate):襯底結構動畫2.工作原理（以N溝道

3、增強型為例）(a)VGS=0時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不管VDS極性如何，其中總有一個PN結反向，所以不存在導電溝道。VGS=0，ID=0VGS必須大于0管子才能工作。（1）柵源電壓VGS的控制作用（1）柵源電壓VGS的控制作用（b）當柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)（VT稱為開啟電壓)時，在Sio2介質中產生一個垂直于半導體表面的電場，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。但由于電場強度有限，吸引到絕緣層的少子電子數量有限，不足以形成溝道，將漏極和源極溝通，所以不可能以形成漏極電流ID。0＜VGS＜VT，ID=0（1）柵

4、源電壓VGS的控制作用(c)進一步增加VGS，當VGS＞VT時，由于此時的柵極電壓已經比較強，柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，將漏極和源極溝通，形成溝道。如果此時VDS>0，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方導電溝道中的電子，因與P型區(qū)的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，反型層變厚，ID增加VGS>0?g吸引電子?反型層?導電溝道VGS??反型層變厚?VDS??ID?柵源電壓VGS的控制作用動畫（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（a）如果VGS＞VT且固定為某一值，VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS

5、－VDSVDS為0或較小時，VGD=VGS－VDS＞VT，溝道分布如圖，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。這時，ID隨VDS增大。VDS??ID?（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用（b）當VDS增加到使VGD=VT時，溝道如圖所示，靠近漏極的溝道被夾斷，這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。（2）漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用VDS??ID不變（c）當VDS增加到VGD?VT時，溝道如圖所示。此時預夾斷區(qū)域加長，向S極延伸。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的

6、夾斷溝道上，ID基本趨于不變漏源電壓VDS對溝道的影響動畫ID=f(VGS)?VDS=const轉移特性曲線iDvGS/VID=f(VDS)?VGS=const輸出特性曲線vDS/ViD3.特性曲線（以N溝道增強型為例）轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用。gm的量綱為mA/V，稱為跨導。gm=?ID/?VGS?VDS=const輸出特性曲線vDS/ViD(1)截止區(qū)（夾斷區(qū)）VGS

7、ID不變處于恒流區(qū)的場效應管相當于一個壓控電流源(3)飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）未產生夾斷時，VDS增大，ID隨著增大的區(qū)域?VGS-VDS???VP?VDS??ID?處于飽和區(qū)的場效應管相當于一個壓控可變電阻4.其它類型MOS管（1）N溝道耗盡型：N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖所示，制造時在柵極下方的絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經在感應出反型層，在漏源之間形成了溝道。于是只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道耗盡型

8、P溝道耗盡型5.場效應管的主要參數開啟