絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET) 的基本知識(shí)

1. 增強(qiáng)型NMOS管

s：Source 源極，d：Drain 漏極，g：Gate 柵極，B：Base 襯底，在P型襯底擴(kuò)散上2個(gè)N 區(qū)，P型表面加SiO2絕緣層，在N 區(qū)加鋁線(xiàn)引出電極。

2.增強(qiáng)型PMOS管

在N型襯底上擴(kuò)散上2個(gè)P 區(qū)，P型表面加SiO2絕緣層，在二個(gè)P 區(qū)加鋁線(xiàn)引出電極。PMOS與NMOS管的工作原理完全相同，只是電流和電壓方向不同。

3.增強(qiáng)型NMOS管的工作原理

正常工作時(shí)外加電源電壓的配置：

(1)VGS=0, VDS=0：漏源間是兩個(gè)背靠背串聯(lián)的PN結(jié)，所以d-s間不可能有電流流過(guò)，即iD≈0。

(2)當(dāng)VGS＞0，VDS=0時(shí)：d-s之間便開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道。 開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的最小電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓VGS(th)(習(xí)慣上常表示為VT)。

溝道形成過(guò)程作如下解釋?zhuān)捍藭r(shí)，在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)垂直電場(chǎng)(方向?yàn)橛蓶艠O指向襯底)，它使漏-源之間的P型硅表面感應(yīng)出電子層(反型層)使兩個(gè)N 區(qū)溝通，形成N型導(dǎo)電溝道。如果，此時(shí)再加上VDS電壓，將會(huì)產(chǎn)生漏極電流iD。當(dāng)VGS＝0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，而當(dāng)VGS 增強(qiáng)到＞VT時(shí)才形成溝道，所以稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。并且VGS越大，感應(yīng)電子層越厚，導(dǎo)電溝道越厚，等效溝道電阻越小，iD越大。

(3)當(dāng)VGS>VT，VDS>0后， 漏-源電壓VDS產(chǎn)生橫向電場(chǎng)：由于溝道電阻的存在，iD沿溝道方向所產(chǎn)生的電壓降使溝道上的電場(chǎng)產(chǎn)生不均勻分布。近s端電壓差較高，為VGS；近d端電壓差較低，為VGD＝VGS-VDS，所以溝道的形狀呈楔形分布。

1)當(dāng)VDS較小時(shí)：VDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響不大，溝道主要受VGS控制，所以VGS為定值時(shí)，溝道電阻保持不變，iD隨VDS 增加而線(xiàn)性增加。此時(shí)，柵漏間的電壓大于開(kāi)啟電壓，溝道尚未夾斷，。

2)當(dāng)VDS增加到VGS-VDS＝VT時(shí)(即VDS＝VGS-VT)：柵漏電壓為開(kāi)啟電壓時(shí)，漏極端的感應(yīng)層消失，溝道被夾斷，稱(chēng)為“預(yù)夾斷”。

3)當(dāng)VDS再增加時(shí)(即VDS＞VGS-VT或VGD=VGS-VDS<VT)：iD將不再增加而基本保持不變。因?yàn)閂DS再增加時(shí)，近漏端上的預(yù)夾斷點(diǎn)向s極延伸，使VDS的增加部分降落在預(yù)夾斷區(qū)，以維持iD的大小，。

伏安特性與電流方程：

(1) 增強(qiáng)型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性：在一定VDS下，柵-源電壓VGS與漏極電流iD之間的關(guān)系：

IDO是VGS=2VT時(shí)的漏極電流。

(2) 輸出特性(漏極特性)

表示漏極電流iD漏-源電壓VDS之間的關(guān)系： 。

與三極管的特性相似，也可分為3個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)，放大區(qū)(恒流區(qū)、飽和區(qū))，截止區(qū)(夾斷區(qū))。可變電阻區(qū)管子導(dǎo)通，但溝道尚未預(yù)夾斷，即滿(mǎn)足的條件為：°在可變電阻區(qū)iD僅受VGS的控制，而且隨VDS增大而線(xiàn)性增大。可模擬為受VGS控制的壓控電阻RDS，。放大區(qū)(溝道被預(yù)夾斷后)，又稱(chēng)恒流區(qū)、飽和區(qū)。條件是：。特征是iD主要受VGS控制，與VDS幾乎無(wú)關(guān)，表現(xiàn)為較好的恒流特性。 夾斷區(qū)又稱(chēng)截止區(qū)，管子沒(méi)有導(dǎo)電溝道( VGS＜VT )時(shí)的狀態(tài)，。

4.耗盡型NMOS管

在制造過(guò)程中，人為地在柵極下方的SiO2絕緣層中埋入了大量的K (鉀)或Na (鈉)等正離子 ；VGS=0，靠正離子作用，使P型襯底表面感應(yīng)出N型反型層，將兩個(gè)N 區(qū)連通，形成原始的N型導(dǎo)電溝道；VDS一定，外加正柵壓(VGS＞0)，導(dǎo)電溝道變厚，溝道等效電阻下降，漏極電流iD增大； 外加負(fù)柵壓VGS＜0)時(shí)，溝道變薄，溝道電阻增大，iD減小；VGS負(fù)到某一定值VGS(off)(常以VP表示，稱(chēng)為夾斷電壓)，導(dǎo)電溝道消失，整個(gè)溝道被夾斷，iD≈0，管子截止 。

耗盡型NMOS的伏安特性：

放大區(qū)的電流方程：，IDSS為飽和漏極電流，是VGS=0時(shí)耗盡型MOS管的漏極電流。

二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)

結(jié)構(gòu)與符號(hào)：

在N區(qū)兩側(cè)擴(kuò)散兩個(gè)P＋區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)。兩個(gè)P＋區(qū)相連，引出柵極g。N體的上下兩端分別引出漏極d和源極s。

導(dǎo)電原理：

(1)VGS＝0時(shí)，N型棒體導(dǎo)電溝道最寬(N型區(qū))。有了VDS后，溝道中的電流最大。

(2)VGS＜0時(shí)，耗盡層加寬(主要向溝道一測(cè)加寬)，并向溝道中間延伸，溝道變窄。

當(dāng)VGS＜VP(稱(chēng)為夾斷電壓)時(shí)，二個(gè)耗盡層增大到相遇，溝道消失，這時(shí)稱(chēng)溝道夾斷，溝道中的載流子被耗盡。若有VDS電壓時(shí)，溝道電流也為零。所以屬于耗盡型FET，原理和特性與耗盡型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)必須反偏，如對(duì)N溝道JFET，要求VGS≤0。

加上負(fù)VGS電壓和VDS電壓以后，VGD的負(fù)壓比VGS大，所以，二個(gè)反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)變得上寬下窄，使溝道形成楔形。

JFET通過(guò)VGS改變半導(dǎo)體內(nèi)耗盡層厚度(溝道的截面積)控制iD，稱(chēng)為體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件；MOSFET主要通過(guò)改變襯底表層溝道的厚度來(lái)控制iD，稱(chēng)為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。

JFET的伏安特性(以N溝道JFET為例)：伏安特性曲線(xiàn)和電流方程與耗盡型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。

三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

開(kāi)啟電壓VT： 增強(qiáng)型管的參數(shù)；夾斷電壓VP：耗盡型管的參數(shù)；飽和漏極電流IDSS：指耗盡型管在VGS=0時(shí)的漏極電流；輸入電阻 RGS(DC)：因iG=0，所以輸入電阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于1012Ω。

2.交流參數(shù)

低頻跨導(dǎo)(互導(dǎo))gm：，跨導(dǎo)gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，且與工作點(diǎn)有關(guān)，是轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上過(guò)Q點(diǎn)切線(xiàn)的斜率。gm的單位是mS；交流輸出電阻rds：，rds反映了漏源電壓對(duì)漏極電流的影響程度，在恒流區(qū)內(nèi)，是輸出特性曲線(xiàn)上過(guò)Q點(diǎn)的切線(xiàn)斜率的倒數(shù)。其值一般為若幾十kΩ。

3.極限參數(shù)

最大漏-源電壓V(BR)DS ：漏極附近發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的VDS；最大柵-源電壓V(BR)GS ：柵極與源極間PN結(jié)的反向擊穿電壓；最大耗散功率PDM：同三極管的PCM相似，當(dāng)超過(guò)PDM時(shí)，管子可能燒壞。

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管之圖解

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管是一種利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，由感應(yīng)電荷的多少改變導(dǎo)電溝道來(lái)控制漏極電流的器件，它的柵極與半導(dǎo)體之間是絕緣的，其電阻大于1000000000Ω。

增強(qiáng)型：VGS=0時(shí)，漏源之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，在VDS作用下無(wú)iD。耗盡型：VGS=0時(shí)，漏源之間有導(dǎo)電溝道，在VDS作用下iD。

1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)（以N溝道增強(qiáng)型為例）

在一塊濃度較低的P型硅上擴(kuò)散兩個(gè)濃度較高的N型區(qū)作為漏極和源極，半導(dǎo)體表面覆蓋二氧化硅絕緣層并引出一個(gè)電極作為柵極。

N溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)動(dòng)畫(huà)

其他MOS管符號(hào)

2. 工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）

(1) VGS=0時(shí)，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。

VGS =0， ID =0

VGS必須大于0

管子才能工作。

(2) VGS>0時(shí)，在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。當(dāng)VGS達(dá)到一定值時(shí)P區(qū)表面將形成反型層把兩側(cè)的N區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道。

VGS >0→g吸引電子→反型層→導(dǎo)電溝道

VGS↑→反型層變厚→ VDS ↑→ID↑

(3) VGS≥VT時(shí)而VDS較小時(shí)：

VDS↑→ID ↑

VT：開(kāi)啟電壓，在VDS作

用下開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的VGS°

VT = VGS —VDS

(4) VGS>0且VDS增大到一定值后，靠近漏極的溝道被夾斷，形成夾斷區(qū)。

VDS↑→ID 不變

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