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1、第 5 章 绝缘栅场效应晶体管,场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管。与双极型晶体管相比，有以下优点, 输入阻抗高； 温度稳定性好； 噪声小； 大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI 。,结型栅场效应晶体管（J FET）,肖特基势垒栅场效应晶体管（MESFET）,绝缘栅场效应晶体管（IGFET 或 MOSFET）,场效应晶体管（FET）的分类,根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为 N 沟道器件 和 P 沟道器件
2、。,JFET 和 MESFET 的工作原理相同。以 JFET 为例，用低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。利用 PN 结势垒区宽度随反向电压而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。两种 FET 的不同之处是，J FET 利用 PN 结作为控制栅，而 MESFET 则是利用金- 半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。,IGFET 的工作原理略有不同，利用电场能来控制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。,J FET 的基本结构,源、漏,MESFET 的基本结构,绝缘栅场效应晶体管按其早期器件的纵向结构又被称为 “金属 -氧化物-半导
3、体场效应晶体管”，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘栅也不一定是氧化物，但仍被习惯地称为 MOSFET 。,5.1 MOSFET 基础,5.1.1 MOSFET 的结构,MOSFET 的立体结构,沟道,P 型衬底,N 沟道 MOSFET 的剖面图,P 型衬底,5.1.2 MOSFET 的工作原理,当 VGS VT 时，栅下的 P 型硅表面发生 强反型 ，形成连通源、漏区的 N 型 沟道，在 VDS 作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的 VDS ，VGS 越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。,所以 MOSFET 是通过改变 VGS 来控制
4、沟道的导电性，从而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。,转移特性曲线：VDS 恒定时的 VGS ID 曲线。MOSFET 的转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流 ID 的控制能力。,N 沟道 MOSFET 当,VT 0 时，称为 增强型 ，为 常关型。,VT 0 时，称为 耗尽型 ，为 常开型。,ID,VGS,VT,0,ID,VGS,VT,0,P 沟道 MOSFET 的特性与 N 沟道 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 沟道相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0
5、 时称为耗尽型（常开型）。,5.1.3 MOSFET 的类型, 线性区 VDS 很小时，沟道近似为一个阻值与 VDS 无关的 固定电阻，这时 ID 与 VDS 成线性关系，如图中的 OA 段所示。,输出特性曲线：VGS VT 且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为以下 4 段：,5.1.4 MOSFET 的输出特性, 过渡区 随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当 VDS 增大到 VDsat ( 饱和漏源电压 ) 时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被 夹断，如图中的 AB 段所示。 线性区与过渡区统称为 非饱和区，有时也统称为 线性区。, 饱和区 当 VDS VDsat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时 ID 几乎与 VDS 无关而保持常数 IDsat ，曲线为水平直线，如图中的 BC 段所示。 实际上 ID 随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。, 击穿区 当 VDS 继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的 CD 段所示。,将各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。,以 VGS 作为参变量，可得到不同 VGS下的 VDS ID 曲线族，这就是 MOSFET 的 输出特性曲线。,4 种类型 MOSFET 的特性曲线小结,
