MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)介紹

FET基礎(chǔ)知識(shí)及電參數(shù)測(cè)試介紹場(chǎng)效應(yīng)三極管

只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱(chēng)單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；

輸入電阻高；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。DSGN符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)圖1N

溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))

在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱(chēng)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管圖2

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSD

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+),導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS二、工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來(lái)控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層

在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。二、工作原理N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用改變UGS大小來(lái)控制漏極電流ID的。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。

1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源VGG，改變VGG大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UGS(off），耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷，夾斷電壓UGS(off)

為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)UGS<0VGGID=0GDSP+P+(c)UGS=UPVGG

2.在漏源極間加正向VDD，使UDS>0，在柵源間加負(fù)電源VGG，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID

。UGS=0,UDG<，

ID

較大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG

UGS<0，UDG<

,

ID較小。GDSNISIDP+P+VDD注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UGS(th),UDG>|UGS(off)|,

ID0,夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)改變UGS，改變了PN結(jié)中電場(chǎng)，控制了ID

，故稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管；(2)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線(xiàn)1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUGS(off)

圖5轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈負(fù)，ID愈??；UGS=UGS(off)，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UGS(off)(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖4特性曲線(xiàn)測(cè)試電路+mA1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUGS(off)圖6轉(zhuǎn)移特性2.漏極特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS

的關(guān)系，即

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的近似公式：≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)漏極特性也有三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。2.漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS圖7特性曲線(xiàn)測(cè)試電路+mA圖8漏極特性場(chǎng)效應(yīng)管的兩組特性曲線(xiàn)之間互相聯(lián)系，可根據(jù)漏極特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。圖9在漏極特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱(chēng)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類(lèi)型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線(xiàn)B柵極G圖10

N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖2.工作原理

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用UGS來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0

漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。SBD圖11(2)UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型襯底N+N+BGSD

P型襯底中的電子被吸引靠近SiO2

與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS

耗盡層變寬。VGG---------(3)UDS=0，UGS≥UGS(th)

由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UGS(th)

為開(kāi)始形成反型層所需的UGS，稱(chēng)開(kāi)啟電壓。(4)UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UGS(th))導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID

。b.UDS=UGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)

靠近漏極溝道達(dá)到臨界開(kāi)啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UGS(th)，UGD<UGS(th)

由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UGS(th)，即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)DP型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區(qū)圖12

UDS

對(duì)導(dǎo)電溝道的影響(a)UGD>UGS(th)(b)UGD=UGS(th)(c)UGD<UGS(th)3.特性曲線(xiàn)(a)轉(zhuǎn)移特性(b)漏極特性ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)

可變電阻區(qū)UGS<UGS(th)，ID=0；

UGS≥UGS(th)，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UGS(th)

時(shí))

三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、擊穿區(qū)。UGS(th)2UGS(th)IDOUGS/VID/mAO圖13圖14二、N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過(guò)程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場(chǎng)在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++

UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；

UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID

減小；

UGS=-UGS(off),感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UGS(off)稱(chēng)為夾斷電壓圖15N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS

正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUGS(off)(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖1.4.15

MOS管的符號(hào)SGDBSGDB(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖16特性曲線(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)飽和漏極電流

IDSS2.夾斷電壓UGS(off)/開(kāi)啟電壓UGS(th)3.直流輸入電阻RGS輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管更高，一般大于109。二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓UGS

對(duì)漏極電流ID

的控制作用。單位：ID毫安(mA)；UGS伏(V)；gm毫西門(mén)子(mS)

這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。三、極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。當(dāng)漏極電流