(完整版)對(duì)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(duì)初學(xué)的人有幫助，即使認(rèn)識(shí)可能不是很正確，但對(duì)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，到納米級(jí)大小。所以在大規(guī)模集成電路小信號(hào)處理方面得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)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)管又叫JF

2、ET，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(gè)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(gè)電極，稱為柵極(G)。這樣在溝道和柵極間便形成了兩個(gè)PN 結(jié)。當(dāng)柵極開路時(shí)，溝道相當(dāng)于一個(gè)電阻，其阻值隨型號(hào)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(shí)， 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

3、絕緣體，反向偏壓越大，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(shí)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(jī)時(shí)，如果負(fù)偏置沒有加上，此時(shí)I D 是最大的。特點(diǎn)： 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(duì)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(duì)比，即柵極相當(dāng)于

4、基極，源極相當(dāng)于發(fā)射極，漏極相當(dāng)于集電極。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(hào)如圖b 所示。符號(hào)：箭頭的方向仍然是PN 結(jié)正向?qū)ǖ姆较颉＝^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(qiáng)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。

5、但是它們的工作原理基本相同，所以下面以增強(qiáng)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(qiáng)型N 溝道、 P溝道耗盡型N 溝道、 P溝道N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖4.1 。其中：D(Drain)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。（襯底斷開是是指兩個(gè)N 區(qū)沒有相連。如果兩個(gè)相連，靠改變溝道的寬度來控制電流就是耗盡型）制作過程：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SiO2 薄膜絕緣層。然后用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔

6、。擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N 型區(qū)。從而形成兩個(gè)PN 結(jié)。（綠色部分）從 N 型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 的符號(hào)如圖所示。左面的一個(gè)襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個(gè)沒有連接，使用時(shí)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(gè)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)型和絕緣柵型的箭頭方向相反。）2 N 溝道增強(qiáng)型MOSFE

7、T 的工作原理對(duì) N 溝道增強(qiáng)型 MOS 場效應(yīng)三極管的工作原理，分兩個(gè)方面進(jìn)行討論，一是柵源電壓GS 對(duì)溝U道會(huì)產(chǎn)生影響，二是漏源電壓U 也會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，從而對(duì)輸出電流，即漏極電流ID產(chǎn)生影響。DS1）柵源電壓UGS 的控制作用先令漏源電壓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(huì)將正對(duì)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(shí)會(huì)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導(dǎo)電溝道。顯然改變 UGS 就會(huì)改變溝道，從而影響I D ，這說明

8、 UGS 對(duì) I D 的控制作用。GS 較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有DS ，也不能形成ID 。當(dāng)增加GS，使ID 剛剛當(dāng) UUUGS 稱為開啟電壓，用GS(th) 或T 表示。出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的 UUU溝道中的電子和DS ，就會(huì)有漏極電P 型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反，稱為反型層。此時(shí)若加上U流 ID產(chǎn)生。DS的控制作用2）漏源電壓 U設(shè) UGSUGS(th) ，增加 UDS，此時(shí)溝道的變化如下。顯然漏源電壓會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS 后， UDS 將沿漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底之間反偏最大，PN 結(jié)的寬度最大。所以加入DS 后，在漏源之間會(huì)形U成一個(gè)傾斜的

9、PN 結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。當(dāng) UDS 進(jìn)一步增加時(shí)， I D 會(huì)不斷增加 ,同時(shí)，漏端的耗盡層上移，會(huì)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(shí)， 漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí) I D 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(qiáng)型MOSFET 的特性曲線N 溝道增強(qiáng)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N 溝道增強(qiáng)型 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示，它是說明柵源電壓GS 對(duì)漏極電流ID 的控U制關(guān)系，可用這個(gè)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

10、電壓對(duì)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(gè)重要參數(shù)。gmI D單位 mS（ mA/V ）U DS constU GS2) 漏極輸出特性曲線當(dāng) UGS UGS(th) ，且固定為某一值時(shí)，反映 UDS 對(duì) ID 的影響，即 ID= f( UDS) 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(shí)，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(duì) I D 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(duì)輸出電流的控制作用。曲線分五個(gè)區(qū)域：（ 1）可變電阻區(qū)（ 2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（ 3）截止區(qū)

11、（ 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：4 N 溝道耗盡型MOSFETN 溝道耗盡型MOSFET 的結(jié)構(gòu)和符號(hào)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(shí)，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。當(dāng)GS=0 時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏極電流用IDSS 表示。當(dāng)GS 0 時(shí)，將使ID 進(jìn)一步增加。（注：正UU電壓使導(dǎo)電層導(dǎo)電能力增強(qiáng)。）GS 0 時(shí)，隨著GS 的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0 。對(duì)應(yīng)ID=0 的GS 稱為夾斷電壓，用UUU符號(hào) UGS(off) 表示，有時(shí)也用UP 表

12、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(qiáng)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。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(shí)際就是一個(gè)PN 結(jié)。由于 PN 結(jié)的摻雜性，會(huì)在內(nèi)部形成一個(gè)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。而反接的時(shí)候，在沒有擊穿的時(shí)候，相當(dāng)于

13、一個(gè)電容器，充滿電就不能導(dǎo)電了。變?nèi)荻O管就是這種運(yùn)用。而在太陽能電池里面，PN 結(jié)是當(dāng)電池使用，在電池的外部， P 區(qū)的電子會(huì)通過電阻到 N 區(qū)和正電荷中和，這種作用會(huì)使擴(kuò)散又會(huì)使 PN 結(jié)的電壓升高。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，會(huì)形成恒定的電流。從能量的角度，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PN 結(jié)電壓降低。而PN 結(jié)從外面吸當(dāng)場管沒有加任何電壓時(shí)，D 極和 S 極有兩個(gè)完全相同的PN 結(jié)，這時(shí) N 區(qū)的電勢會(huì)比P 區(qū)高，當(dāng)，場管在內(nèi)部把S 極和襯底相連時(shí)，PN 結(jié)絕對(duì)不會(huì)消失，因?yàn)镻N 結(jié)電壓很小，實(shí)際測量只有幾毫伏。這時(shí)導(dǎo)線可以看成一個(gè)小電阻，不能忽略。但可以

14、使PN 結(jié)電壓降低，此時(shí)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。當(dāng)給 S 極和 G 極加上正向電壓的時(shí)候，P 材料和 N 材料就和 G 極構(gòu)成一個(gè)電容器，由于充電效應(yīng)，柵極帶正電，下面相對(duì)的 N 型和 P 型材料表面就構(gòu)成另一個(gè)極板，都帶負(fù)電，這樣整個(gè)表面就成了一個(gè)等勢面。從而使兩個(gè) N 連在一起了。但是由于 PN 結(jié)的存在， P 襯底和 N 絕對(duì)不會(huì)電勢相等，這樣由于電場的作用，就把P 襯底分成兩個(gè)區(qū)。當(dāng) VGS 很小時(shí)，雖然連在一起，但是并不能形成ID ，因?yàn)檫@些負(fù)電荷被原子核吸附住了。并不能自由移動(dòng)。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

15、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(dòng)的電荷時(shí)，才會(huì)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(gè)金屬塊放在兩個(gè)電容中間時(shí)，出現(xiàn)的情況。此時(shí)的 MOS 管正是這種情況。當(dāng)再 DS 之間加上電壓時(shí)，電流流過負(fù)極板這一層，會(huì)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。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(shí)我們不作討論。當(dāng) ID 增加到一定值時(shí)，靠近 D 極的一端會(huì)出現(xiàn)

16、電勢相等的情況，那么下表面不會(huì)感應(yīng)出負(fù)電荷，出現(xiàn)溝道斷開的現(xiàn)象，這就是預(yù)夾斷。當(dāng) ID 繼續(xù)增加，就出現(xiàn)完全夾斷的情況。當(dāng)理解了 MOS 管的工作原理之后，其它知識(shí)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(shí)也不一樣。1、增強(qiáng)型 MOS 管，1）、沒有加電壓時(shí)，GS， GD、DS 任意兩個(gè)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?yàn)槿绻葴y量GS，因?yàn)槿f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

17、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(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管）就是將一個(gè)P 溝道的增強(qiáng)型PMOS 場效應(yīng)管和N 溝道的增強(qiáng)型NMOS 場效應(yīng)管組合在一起使用，叫C- MOS場效應(yīng)管電路的工作過程如下。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，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(shí)，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

18、輸出端相反。很簡單就組成一個(gè)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(shí)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(shí)， 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?yàn)槿绱?，使得該電路不?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)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（ 10 8109 ）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競