场效应晶体管工作原理培训教程

3.1.1 结型场效应晶体管
iD f (uGS ) uDS 常数
uGS 2 I DSS (1 ) U GS(off)
UGS(off)≤uDS≤0
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.2 绝缘栅型场效应晶体管
3.1场效应晶体管的基本特性
场效应晶 体管
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
结型场效应管简称JFET，它是利用半导体内的电场效应 来工作的，因而也称为体内场效应器件。结型场效应管有 N沟道和P沟道两类。
3.1场效应晶体管的基本特性
3.1.1 结型场效应晶体管
iD f (u DS )
uG S常数
3.1场效应晶体管的基本特性
式中RL ’ ＝RS∥RL 。输出电压与输入电压同相，且由 于gm RL ’ >>1，所以Au小于1，但接近于1。
RO
U U 1 1 I U gm g mU R RS S
3.3源极输出器
U RO I U U g mU RS 1 1 gm RS
第3章 场效应晶体管及其应用(共6学时)
学习目标:
1．了解各种场效应晶体管的结构，掌握它们的转移特性、
输出特性以及主要参数。 2．掌握场效管共源极放大器、共漏极放大器（源 极跟随器）的微变等效电路与主要性能参数。
本章内容
3.1 场效应晶体管的基本特性（2学时） 3.2 共源极场效应晶体管放大电路 （2学时） 3.3 源极输出器（2学时） 小结
3.1场效应晶体管的基本特性
P沟道结型场效应晶体管 结型场效应 晶体管 N沟道结型场效应晶体 管 P沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 增强型绝缘栅场 效应晶体管 N沟道增强型绝缘 栅场效应晶体管 绝缘栅场效 应晶体管 耗尽型绝缘栅场 效应晶体管 P沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管 N 沟道耗尽型绝缘 栅场效应晶体管

当栅极电压UGS稍低于阀值电压UT，甚至UGS=0时，在栅 氧化层正电荷作用下，栅下P型半导体的表面很可能处于 弱反型状态，沟道中仍有很小的漏电流通过。
通常将栅源电压低于阀值电压，器件的工作状态处于亚阀 值区，流过沟道的电流成为亚阀值电流。
弱反型时亚阀值电流由下式给出
IDSqW qETS Dn
L1nP0eqTUS
a) 能带图
b) 电荷分布图
2. 理想 MOS 结构的阀值电压
理想MOS 结构是指忽略氧化层中的表面态电荷密度， 且不考虑金属-半导体功函数差时的一种理想结构。 理想 MOS 结构的阀值电压为
UT 0 QCBOmXax2F
3. 实际 MOS 结构的阀值电压
在实际的 MOS 结构中，存在表面态电荷密度QOX和金属-半导 体功函数差фms。 因此，在实际MOS结构中，必须用一部分栅压去抵消它们的 影响。才能使MOS结构恢复到平带状态，达到理想MOS结构 状态。
4.2.1 MOS 场效应晶体管的基本工作原理 1. MOS 晶体管的基本结构
MOS 场效应晶体管基本结构示意图
2. MOS管的基本工作原理 MOS 场效应晶体管的工作原理示意图
4.2.2 MOS 场效应晶体管的转移特性
MOS 场效应晶体管可分为以下四种类型:N沟增强型、 N沟耗尽型、P沟增强型、P沟耗尽型。 1. N沟增强型MOS管及转移特性
2.氧化层中电荷的影响
在通常的SiO2-Si结构中包括以下四种情况，如下图 系 统 电 荷 示 意 图
1）界面中陷阱电荷 2）氧化层中的固定电荷 3）氧化层陷阱电荷 4）可动离子电荷
当金属-半导体的功函数差和氧化膜中电荷都存在时， MOS结构的平带电压为
UFB

正常 放大 时外 加偏 置电 压的 要求
VGS<0 ，使栅极 PN 结反偏，iG=0。
VDS>0 ， 使 形 成 漏 电流iD。
问题：如果是P沟道，直流偏置应如何加？
栅源电压对沟道的控制作用
（动画2－9）
VGS 继续减小，沟道继续变窄， ID继续减小直至为0。当 当 VV =0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源 GS 当 GS＜0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的 漏极电流为零时所对应的栅源电压 VGS称为夹断电压 VP。 间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。 沟道将变窄，ID将减小。
断”。
特性曲线
vGS 2 iD IDSS (1 ) VP
v v v V G D G SD S P
(a) N沟道结型FET (b) 输出特性曲线
(b) N沟道结型FET 转移特性曲线
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 增 强 型 P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 耗 尽 型 P 沟 道 耗 尽 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
各类场效应三极管的特性曲线
结 型 场 效 应 管
N 沟 道
P 沟 道
场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是 MOS增强型管的参数，栅源电压 小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。
§2.3 MOS场效应晶体管
分类
Junction type Field Effect Transistor
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
场 效 应 管
结型场效应三极管JFET
N沟道
P沟道
绝缘栅型场效应三极管IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor

Q'SD (max) eNa xdT
金属 氧化物 p型半导体 金属 氧化物 p型半导体
VG VOX s ms
s 2 f p
VOX Q'SD (max) Q'ss COX
VTP
Q'SD (max) Q'ss COX
ms 2 f p
VTP
Q'SD (max) COX
OX
tOX
8、理想 C-V特性
C'
C 'OX
堆积
C 'OX
C 'FB
低频
C 'SD
强反型 中反型
耗尽
C 'min 高频 VFB 0
VT
VG
C 'OX
OX
tOX
C 'FB tOX
LD
OX OX LD s
sVth
eN a
C 'min tOX
xdT
OX OX xdT s
Q'ss
Ec EFi EF Ev
金属 氧化物 半导体
VG VOX s ms
s 0
VOX
Q'm Q'ss COX COX
VFB
Q'ss ms COX
Q'm Q'ss 0
5、 阈值电压
eVOX
es
e f p
Ec EFi EF Ev
Q'mT
Q'ss
xdT
tox
1 2
ms
Eg m 2e f p

形，如图6.2 。
必须指出，上述讨论未考虑到反型层中的电子是哪 里来的。若该MOS电容是一个孤立的电容，这些电子只 能依靠共价键的分解来提供，它是一个慢过程，ms级。
2023/12/22
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MOS电容—测量
若测量电容的方法是逐点测量法—一种慢进 程，那么将测量到这种凹谷曲线。
① ⑤
②
③
④
图 5.2
区，栅极与源极扩散区都存
在着某些交迭，故客观上存
在着Cgs和Cgd。当然，引出 线之间还有杂散电容，可
以计入Cgs和Cgd。
图 5.3
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MOS电容的计算
Cg、Cd的值还与所加的电压有关:
1）若Vgs<VT，沟道未建立，MOS管漏源沟道不通。 MOS电容 C = Cox，但C 对Cd无贡献。
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MOS电容凹谷特性测量
若测量电容采用高频方法，譬如，扫频方法， 电压变化很快。共价键就来不及瓦解，反型层就 无法及时形成，于是，电容曲线就回到Cox值。 然而，在大部分场合，MOS电容与n+区接在一 起，有大量的电子来源，反型层可以很快形成， 故不论测量频率多高，电压变化多快，电容曲线 都呈凹谷形。
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6
MOSFET特性曲线
在非饱和区 Ids Vds C a1Vgs b1 线性工作区
在饱和区 Ids a2 Vgs VT 2
(Ids 与 Vds无关) . MOSFET是平方律器件!
Ids
饱和区
线性区
击穿区
0
2023/2 MOSFET电容的组成
的二倍。它不仅抵消了空穴，成为本征半导体，而
且在形成的反型层中，电子浓度已达到原先的空穴 浓度这样的反型层就是强反型层。显然，耗尽层厚 度不再增加，CSi也不再减小。这样，

VT
MS
TOX
OX
QOX
TOX
OX
QAD 2FB
e) 氧化层中的电荷面密度 QOX
QOX 与制造工艺及晶向有关。MOSFET 一般采用（100） 晶面，并在工艺中注意尽量减小 QOX 的引入。在一般工艺条 件下，当 TOX = 150 nm 时：
QOX 1.8 ~ 3.0 V COX
以VGS 作为参变量，可以得到不同VGS下的VDS ～ID 曲线族， 这就是 MOSFET 的输出特性曲线。
非
饱
饱
和
和
区
区
将各条曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区， 虚线右侧为饱和区。
5、MOSFET的类型 P 沟 MOSFET 的特性与N 沟 MOSFET 相对称，即： (1) 衬底为 N 型，源漏区为 P+ 型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及 ID 的方向均与 N 沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT < 0 时称为增强型（常关型），VT > 0 时称为耗尽型
MS
QOX COX
K
2FP VS VB
1
2 2FP VS
注意上式中，通常 VS > 0，VB < 0 。 当VS = 0 ，VB = 0 时：
VT
MS
QOX COX
K
2 FP
1 2
2FP
这与前面得到的 MOS 结构的 VT 表达式相同。
同理可得 P 沟 MOSFET的 VT 为：
电势差，等于能带弯曲量除以 q 。COX 表示单位面积的栅氧化
层电容，COX
OX
TOX
，TOX 为氧化层厚度。
(3)实际 MOS结构当 VG = VFB 时的能带图

缓二极管反向恢复时间。
2、结温的影响。
功率MOSFET的结温对CSOA没有直接影响，但是器件的电压和电流直接受结温 高低的影响。
3、线路引线电感的影响。
电路中的引线电感在二极管反向恢复过程会产生反电势，使器件承受很高的峰
值电压。二极管换向速度越快或引线电感越大，器件承受的峰值电压越高。过高的
电压使对器件CSOA的要求更加苛刻。为此，应尽量缩短电路引线，以便使引线电
a) 测试电路 b) 开关过程波形
降时间之和。
up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻，
RL—负载电阻，RF—检测漏极电流
--
9
6.3
功率MOSFET的主要参数
1、静态参数
1) 通态电阻Ron
在确定的栅压UGS下，由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻。
——它是影响最大输出功率的重要参数，在开关电路中决定了输出幅 度和自身损耗的大小。
61mosfet的结构和工作原理62功率mosfet的基本特性63功率mosfet的主要参数64功率mosfet的安全工作区65功率mosfet的栅极驱动电路功率场效应晶体管mosfet也分为结型和绝缘栅型类似小功率fieldeffecttransistorfet但通常主要指绝缘栅型中的mos型metaloxidesemiconductorfet简称功率mosfetpowermosfet结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管staticinductiontransistorsit功率场效应晶体管mosfet电流容量小耐压低一般只适用于功率不超过10kw的功率电子装置
器件在关断过程中承受很高的再加电压，即dUDS/dt 。
——器件的动态dUDS/dt耐量与本身的耐压水平密切相关。耐压越高， dUDS/dt的耐量越大。

GS
GS
GS ( off )
GS
GS ( off )
模拟电子技术
哈尔滨工程大学
2
结型场效应管的特性曲线
I D f U GS
（1）转移特性及特征方程
U DS C
①当UGS=0时，N沟道最宽，ID最大，记作IDSS，称最大 饱和漏电流。 ②当UGS＜0时，两个耗尽层加厚，ID成指数规律下降， 其特征方程为 U GS 2
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(a)当uDS 0 且uGS 0 时，耗尽层很窄，导电沟道最宽。 (b)当 uGS 增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 (c)当 uGS 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道 电阻趋于无穷大，此时u GS 值为夹断电压 U GS (off ) 。
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u DS 决定耗尽层的楔形程度。 ②当uGS固定时， 若 uDS 0，电流 i D 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与 栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大， 造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边宽，沟道呈楔形。
uGD UGS (off ) （a）
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
模拟电子技术
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（2）工作原理 N· JFET的结构及符号 在同一块N型半导体上制 作两个高掺杂的P区，并 将它们连接在一起，引出 的电极称为栅极G，N型 半导体的两端引出两个电 极，一个称为漏极D，一 个称为源极S。P区与N区 交界面形成耗尽层，漏极 和源极间的非耗尽层区域 称为导电沟道。
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响
② uGS 0 时，N沟道已经存在，因此i D不为零，仍记以 IDSS，但不是最大值。

IB C B UBE E
IC
RC UCE USC
晶体管的静态工作点Q位
于哪个区？
RB
USB
USB =2V时：
U SB U BE 2 0.7 IB 0.019mA RB 70 I C I B 50 0.019mA 0.95mA
IC< ICmax (=2mA) ， Q位于放大区。
1放大区 e结为正偏，c结为反偏的工作区域为放大区。在 放大区有以下两个特点： (1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用， 即iB有很小的变化量ΔIB时， iC 就会有很大的变 化量ΔIC。为此，用共发射极交流电流放大系数β 来表示这种控制能力。β定义为 I C u CE 常数 I B 反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔。
由于 , 都是反映晶体管基区扩散与 复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以 两者之间必有内在联系。由 , 的定义可 得
I CN I CN IE IB I E I CN IE IE 1 I CN I CN I BN IE I BN I CN I BN I BN 1
2.集-基极反向截止电流ICBO ICBO是集 电结反偏 由少子的 漂移形成 的反向电 流，受温 度的变化 影响。
ICBO A
3. 集-射极反向截止电流ICEO
集电结反 偏有ICBO C
ICEO= IBE+ICBO ICEO受温度影响
很大，当温度上 升时，ICEO增加 很快，所以IC也 相应增加。三极 管的温度特性较 差。
IC I B I E (1 ) I B
为了反映扩散到集电区的电流ICN与射极注入电流IEN的比 例关系，定义共基极直流电流放大系数 为

效应晶体管，简称mosfet。
工作原理
mosfet通过在金属-氧化物-半导 体结构上施加电压，控制电子流动， 实现信号放大和开关作用。
结构
mosfet由栅极、源极、漏极和半导 体层组成，具有对称的结构。
mos 场效应晶体管的应用
集成电路
mosfet是集成电路中的基本元件， 广泛应用于数字电路和模拟电路 中。
工作原理概述
电压控制
导电通道的形成与消失
mos场效应晶体管是一种电压控制器 件，通过在栅极施加电压来控制源极 和漏极之间的电流流动。
随着栅极电压的变化，导电通道的形 成与消失，从而控制源极和漏极之间 的电流流动。
反型层
当在栅极施加正电压时，会在半导体 表面产生一个反型层，使得源极和漏 极之间形成导电通道。
电压与电流特性
转移特性曲线
描述栅极电压与漏极电流之间关 系的曲线。随着栅极电压的增加， 漏极电流先增加后减小，呈现出
非线性特性。
跨导特性
描述源极电压与漏极电流之间关 系的曲线。跨导反映了mos场效
应晶体管的放大能力。
输出特性曲线
描述漏极电压与漏极电流之间关 系的曲线。在一定的栅极电压下， 漏极电流随着漏极电压的增加而
增加，呈现出线性特性。
Part
03
mos 场效应晶体管的类型与 特性
nmos 场效应晶体管
总结词
NMOS场效应晶体管是一种单极型晶体管，其导电沟道由负电荷主导。
详细描述
NMOS场效应晶体管通常由硅制成，其导电沟道由负电荷主导，因此被称为 NMOS。在NMOS中，电子是主要的载流子，其源极和漏极通常为n型，而衬 底为p型。
制造工艺中的挑战与解决方案
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