對場效應(yīng)管工作原理的理解

1、如何理解場效應(yīng)管的原理，大多數(shù)書籍和文章都講的晦澀難懂，給初學(xué)的人學(xué)習(xí)造成很大的難 度，要深入學(xué)習(xí)就越感到困難，本人以自己的理解加以解釋，希望對初學(xué)的人有幫助，即使認(rèn)識可 能不是很正確，但對學(xué)習(xí)肯定有很大的幫助。場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管是電壓控制器件，功耗比較低。而三極管是電流控制器件，功耗比較高。但場效應(yīng)管 制作工藝比三極管復(fù)雜，不過可以做得很小，至慟米級大小。所以在大規(guī)模集成電路小信號處理方 面得到廣泛的應(yīng)用。對大電流功率器件處理比較困難，不過目前已經(jīng)有雙場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)增加電流負(fù) 載能力，也有大功率場管出現(xiàn)，大有取代三極管的趨勢。場效應(yīng)管具有很多比三極管優(yōu)越的性能。結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)

2、管又叫JFET,只有耗盡型。這里以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，說明結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及基本工作原理。圖為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊 N型硅，材料（溝道）上引出兩個電極，分別為源極（S）和漏極（D）。在 它的兩邊各附一小片 P型材料并引出一個電極，稱為柵極 （G）。這樣在溝道和柵極間便形成了兩個 PN結(jié)。當(dāng)柵極開路時，溝道相當(dāng)于一個電阻，其阻值隨型號而不同，一般為數(shù)百歐至數(shù)千歐。如果 在漏極及源極之間加上電壓 Uds，就有電流流過，Id將隨Uds的增大而增大。如果給管子加上負(fù)偏差 Ugs時，PN結(jié)形成空間電荷區(qū)，其載流子很少，因而也叫耗盡區(qū)（如圖a中陰影區(qū)所示）。其性能類似于絕緣體，反向

3、偏壓越大，耗盡區(qū)越寬，溝道電阻就越大，電流減小，甚至完全截止。這樣就達(dá)到 了利用反向偏壓所產(chǎn)生的電場來控制N型硅片（溝道）中的電流大小的目的。注：實際上溝道的摻雜濃度非常小，導(dǎo)電能力比較低，所以有幾百到幾千歐導(dǎo)通電阻。而且是PN結(jié)工作在反向偏置的狀態(tài)。剛開機時，如果負(fù)偏置沒有加上，此時Id是最大的。特點：1 , GS和GD有二極管特性，正向?qū)?，反向電阻很? : DS也是導(dǎo)通特性，阻抗比較大3 : GS工作在反向偏置的狀態(tài)。4 : DS極完全對稱，可以反用，即 D當(dāng)做S , S當(dāng)做D。從以上介紹的情況看，可以把場效應(yīng)管與一般半導(dǎo)體三極管加以對比，即柵極相當(dāng)于基極，源極相當(dāng)于發(fā)射極，漏極相當(dāng)于

4、集電極。如果把硅片做成P型，而柵極做成N型，則成為P溝道結(jié)型場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管的符號如圖b所示。符旦號:IpT溝結(jié)構(gòu)9(a)結(jié)構(gòu)箭頭的方向仍然是 PN結(jié)正向?qū)ǖ姆较蚪^緣柵場效應(yīng)管MOSFET結(jié)型雖然電壓控制方式，但是仍然有少子的飄移形成電流。絕緣柵場效應(yīng)管是柵極與襯底完全 絕緣，所以叫絕緣柵場效應(yīng)管。絕緣柵型場效應(yīng)晶體管在集成電路中被廣泛使用，絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MOSFET)分為增強型和耗盡型兩大類，每類中又有N溝道和P溝道之分，N溝道又叫PMOS管，P溝道又叫NMOS管。不象雙極型晶體管只有 NPN和PNP兩類，場效應(yīng)晶體管的種類要多一些。但是它們的工作原理基本相 同，所以下面以增強

5、型 N溝道場效應(yīng)晶體管為例來加以說明。絕緣柵型場效應(yīng)三極管 MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。分為增強型n溝道、P溝道耗盡型 > N溝道、P溝道N溝道增強型 MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖 4.1。其中：D(Drai n)為漏極，相當(dāng)c ；G(Gate)為柵極，相當(dāng)b ；S(Source) 為源極，相當(dāng)e。SGDQOQP襯底6SM溝道箭頭向里襯底斷開(襯底斷開是是指兩個 N區(qū)沒有相連。如果兩個相連，靠改變溝道的寬度來控制電流就是耗盡型)制作過程:P螯軻晝B取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，用B表示。用氧化工藝生成一層

6、SiO2薄膜絕緣層然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔然后用光刻工藝腐蝕出兩個孔。擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個PN結(jié)。（綠色部分）沁從N型區(qū)引出電極，一個是漏極 D, 個是源極So'B在源極和漏極之間的絕緣層上鍍層金屬鋁作為柵極GN溝道增強型MOSFET的符號如圖所示。左面的一個襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個沒有 連接，使用時需要在外部連接。（襯底在內(nèi)部與源極相連，所以絕緣柵MOSFET的D、S極是不能互換的。箭頭的方向仍然是襯底和S極和D極的PN結(jié)方向，而柵極沒有半導(dǎo)體，只是電容器的一個極板。而結(jié)型的箭頭是柵 極向S極和D極的PN結(jié)方向，這就是為什么同樣是 N溝道，結(jié)型和絕緣柵型的箭

7、頭方向相反。）2 N溝道增強型MOSFET的工作原理對N溝道增強型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓Ugs對溝道會產(chǎn)生影響，二是漏源電壓Uds也會對溝道產(chǎn)生影響，從而對輸出電流，即漏極電流Id產(chǎn)生影響1） 柵源電壓Ugs的控制作用P型討盛Co&弓空兀毛于ZE姦子員緩子先令漏源電壓Uds=0，加入柵源電壓 UGs以后并不斷增加。Ugs帶給柵極正電荷，會將正對 SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走，從而形成一層負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。（注：耗盡層的載流子減少，導(dǎo)電能力變差）同時會在柵極下的表層感生一定的電子電荷，若電子數(shù)量較多，從而在漏源之間可形成

8、導(dǎo)電溝道。顯然改變Ugs就會改變溝道，從而影響Id，這說明Ugs對Id的控制作用。當(dāng)Ugs較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有Uds，也不能形成Id。當(dāng)增加Ugs，使Id剛剛出現(xiàn)時，對應(yīng)的Ugs稱為開啟電壓，用 UGS（th）或Ut表示。P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時若加上Uds，就會有漏極電溝道中的電子和流Id產(chǎn)生。2）.漏源電壓設(shè) UGS> UGS（th）,Uds的控制作用增加Uds，此時溝道的變化如下。3 OCj；P曇襯喘oD0$Q空亢巨工工妾于圧蘿工顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響，因為源極和襯底相連接，所以加入Uds后，Uds將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間

9、反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入 Uds后，在漏源之間會形成一個傾斜的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。壬表子負(fù)蔑于SODS102尸*P曇襯底T0e辛兀=當(dāng)Uds進(jìn)一步增加時，Id會不斷增加，同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài) 稱為預(yù)夾斷。當(dāng)Uds進(jìn)一步增加時， 漏端的耗盡層向源極伸展，此時Id基本不再增加，增加的 Uds基本上降落在夾斷區(qū)。3 N溝道增強型MOSFET的特性曲線N溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條，轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線。1）轉(zhuǎn)移特性曲線1= niAN溝道增強型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明柵源電壓Ugs對漏極電流Id的控制關(guān)

10、系，可用這個關(guān)系式來表達(dá)，這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率 gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm稱為跨導(dǎo)。這是場效應(yīng)三極管的一個重要參數(shù)。gm =也UDsbDsnst單位 mS ( mA/V)2)漏極輸出特性曲線當(dāng)UgS> UGS(th)，且固定為某一值時，反映UdS對Id的影響，即Id= f( Uds) I UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極漏極輸出特性曲線。場效應(yīng)三極管作為放大元件使用時，是工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū)，從曲線上可以看出Uds對Id的影響很小。但是改變 Ugs可以明顯改變漏極電流Id，這就意味著輸入電壓對 輸出電流的控制作用。hni

11、A |過攝耗區(qū)截止區(qū)曲線分五個區(qū)域:(1) 可變電阻區(qū)(2) 恒流區(qū)(放大區(qū))(3) 截止區(qū)(4) 擊穿區(qū)(5 )過損耗區(qū)從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線，過程如下:畑4 N溝道耗盡型M0SFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng) Ugs=0時，這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是，只要有漏源電壓， 就有漏極電流存在。jpTZZ |qs匡|樓體糾F |p荃近陰當(dāng)UGs=0時，對應(yīng)的漏極電流用Idss表示。當(dāng)Ugs> 0時，將使Id進(jìn)一步增加。(注：正-DSSUgsV 0時，隨著Ugs的減小漏極電流逐漸減

12、小，直至Id=0。對應(yīng)Id=0的Ugs稱為夾斷電壓，用符號UGs(f)表示，有時也用Up表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如上圖所示。P溝道增強型 MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣關(guān)于場效應(yīng)管符號的說明;DK溝這増強 型管, 中寸底箭頭向 里。漏、襯 底和源二分 幵，表示零 柵壓時溝道表不襯底 在內(nèi)部沒 有勻源極 連接。W勾道耗 盡型MO5 管。漏、 襯底和源 不斷幵表 示零柵壓 時溝道已 經(jīng)連通°N溝追結(jié) 型管，沒 有絕緣層。如果是

13、P溝道.箭頭則向外。這都是從講的比較好的文章中摘錄下來的，結(jié)型的管子道理好理解，而mos管，大多數(shù)的講解都如此，不能讓人理解。首先我們看一下太陽能電池，太陽能電池實際就是一個PN結(jié)。由于PN結(jié)的摻雜性，會在內(nèi)部外電場I N I內(nèi)電場形成一個電勢差。通常正向?qū)ㄐ枰?.40.7伏的電壓就是克服內(nèi)電場的。硅管和鍺管的電壓不同。內(nèi)電場而反接的時候，在沒有擊穿的時候，相當(dāng)于一個電容器，充滿電就不能導(dǎo)電了。變?nèi)荻O管就 是這種運用。而在太陽能電池里面，PN結(jié)是當(dāng)電池使用，外韶電場P十十十N內(nèi)電場在電池的外部，P區(qū)的電子會通過電阻到 N區(qū)和正電荷中和，這種作用會使 PN結(jié)電壓降低。而 擴(kuò)散又會使PN結(jié)的電

14、壓升高。當(dāng)達(dá)到平衡時，會形成恒定的電流。從能量的角度，PN結(jié)從外面吸收能量，轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過電阻轉(zhuǎn)化為熱能。下面我們來看場管的工作原理SGD-4N+ -1-N4 -當(dāng)場管沒有加任何電壓時， D極和S極有兩個完全相同的 PN結(jié)，這時N區(qū)的電勢會比P區(qū)高, 當(dāng)，場管在內(nèi)部把 S極和襯底相連時，PN結(jié)絕對不會消失，因為 PN結(jié)電壓很小，實際測量只有幾 毫伏。這時導(dǎo)線可以看成一個小電阻，不能忽略。但可以使PN結(jié)電壓降低，此時 D、S兩極的PN結(jié)寬度已經(jīng)不相等了，而且 S極寬度較小。SGI D0NN當(dāng)給S極和G極加上正向電壓的時候， P材料和N材料就和G極構(gòu)成一個電容器，由于充電效 應(yīng)，柵極帶正電

15、，下面相對的 N型和P型材料表面就構(gòu)成另一個極板，都帶負(fù)電，這樣整個表面就P襯底分成但是由于PN結(jié)的存在，P襯底和N絕對不會電勢相等，這樣由于電場的作用，就把 兩個區(qū)。當(dāng)VGS很小時，雖然連在一起，但是并不能形成ID，因為這些負(fù)電荷被原子核吸附住了。并不能自由移動。同樣在 PN結(jié)之間形成的耗盡層，里面的載流子也很少，只有當(dāng)VGS增加到一定的程度，下面等勢面寬度變寬，負(fù)電荷增多，且有可以自由移動的電荷時，才會形成有效的電流，這就 是開啟電壓，所以 VGS能起到控制電流的作用。我們來看一下，電容器的情況，當(dāng)把一個金屬塊放在兩個電容中間時，出現(xiàn)的情況。此時的MOS管正是這種情況。當(dāng)再DS之間加上電壓

16、時，電流流過負(fù)極板這一層，會形成電壓降。使得負(fù)極板各處的電壓不相 等。我們可以等效為這種情況。把下表面看成一小塊一小塊的。IHI1El El El El H B BhkJhXJ這樣越靠近S極，兩板的電勢差越大，充電就越多，導(dǎo)電區(qū)域就越寬。反之越靠近D極，兩板的電勢差越小，充電就越少，導(dǎo)電區(qū)域就越窄。下面的耗盡層這時我們不作討論。當(dāng)ID增加到一定值時，靠近 D極的一端會出現(xiàn)電勢相等的情況，那么下表面不會感應(yīng)出負(fù)電荷，當(dāng)理解了 MOS管的工作原理之后，其它知識就可以循序漸進(jìn)的進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解了，不管這種解 釋是否合理，至少是讓人容易理解理解了MOS管的工作原理。由于結(jié)構(gòu)不一樣，測量時也不一樣。1、增

17、強型MOS管，1）、沒有加電壓時，GS, GD、DS任意兩個腳都是不通的，2） 、如果DS是導(dǎo)通的，不能馬上認(rèn)為是擊穿損壞，因為如果先測量GS,因為萬用表內(nèi)部電壓, 相當(dāng)于給柵極G充電，DS溝道就聯(lián)通了。這是應(yīng)該將柵極 G和源極S短路一下，把充電放掉，再測 量，如果不通是好的，通就是擊穿短路的。2、耗盡型MOS管的測量方法耗盡型MOS管的GS和GD都是不通的，但 DS是導(dǎo)通的。用萬用表給 GS加負(fù)電壓，DS之間 的電阻應(yīng)該增大。下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管（增強型MOS場效應(yīng)管）就是將一個P溝道的增強型PMOS場效應(yīng)管和N溝道的增強型NMOS場效應(yīng)管組合在一起使用, 叫C- MOS場效應(yīng)管

18、電路的工作過程如下。當(dāng)輸入端為低電平時，P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時， N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。很 簡單就組成一個反向器。所以在大規(guī)模集成電路中使用廣泛。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0V，通常在柵極電壓小于 1到2V時，MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不 同。也正因為如此，使得該電路不會因為兩管同時導(dǎo)通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應(yīng)管電路部分的工作過程（見圖 10）。工作原理同前所述。場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫（FET）簡稱場效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性 的載流子，即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電，因此稱為雙極型晶體管，而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，它與雙極型相反，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電 阻高（108109 ）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、