第一章 半导体器件基础

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1、第四章场效应管放大电路场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管：结型N沟道P沟道MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型§4.1绝缘栅型场效应管(InsulatedGateFieldEffectTransister)绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)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

2、的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。1.结构和符号（以N沟道增强型为例）N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层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型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，相当cG(Gate):栅极，相当bS(Source):源极，相当eB(Substrate):衬底结构动画2.工作原理（以N沟道

3、增强型为例）(a)VGS=0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，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0VGS必须大于0管子才能工作。（1）栅源电压VGS的控制作用（1）栅源电压VGS的控制作用（b）当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)（VT称为开启电压)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。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。0＜VGS＜VT，ID=0（1）栅

4、源电压VGS的控制作用(c)进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时VDS>0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加VGS>0g吸引电子反型层导电沟道VGS反型层变厚VDSID栅源电压VGS的控制作用动画（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，VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS

5、－VDSVDS为0或较小时，VGD=VGS－VDS＞VT，沟道分布如图，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。VDSID（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用（b）当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，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。（2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VDSID不变（c）当VDS增加到VGDVT时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。VDS增加的部分基本降落在随之加长的

6、夹断沟道上，ID基本趋于不变漏源电压VDS对沟道的影响动画ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线iDvGS/VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线vDS/ViD3.特性曲线（以N沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用。gm的量纲为mA/V，称为跨导。gm=ID/VGSVDS=const输出特性曲线vDS/ViD(1)截止区（夹断区）VGS

7、ID不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域VGS-VDSVPVDSID处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻4.其它类型MOS管（1）N沟道耗尽型：N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的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。各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道耗尽型

8、P沟道耗尽型5.场效应管的主要参数开启