4.1 MOS场效应晶体管的结构、工作原理
場效应晶体管有二种结构形式： 1.绝缘栅型场效应晶体管 又分增强型和耗尽型二类 2.结型场效应晶体管----只有耗尽型 场效应晶体管在集成电路中被广泛使用绝 缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽 型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分不象 双极型晶体管只有NPN和PNP两类，场效应晶体 管的种类要多一些但是它们的工作原理基本相 同，所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例

图4.1 N沟道增强型 MOSFET结构示意图（动画）
取一块P型半导体作为衬底用 B表示。 用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜 绝缘层 然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区从而 形成两个PN结。（绿色部分） 从N型区引出电极一个是漏极 D，一个是源极S

在源极和漏极之间的绝缘层上镀 一层金属铝作为栅极。

N沟道增强型MOSFET的符号如 左圖所示左面的一个衬底在内部与 源极相连，右面的一个没有连接使 用时需要在外部连接。 动画 动画2-3

2 N沟道增强型MOSFET的工作原理

对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理分两个方面进行 讨论，一是栅源电压US对沟道会产生影响二是漏源电压UDS也会对 沟道产生影响，从而对输出电鋶即漏极电流ID产生影响。 1．栅源电压US的控制作用

空穴 电子 正离子 负离子

显然改变U 显然改变 S 先令漏源电压UDS=0加入栅源电 就会改变沟道， 就會改变沟道 压US以后并不断增加。 从而影响I 从而影响 D US 这说明US对ID 这说明 带给栅极正电荷，会将正对 SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走 的控淛作用。 的控制作用 从而形成一层负离子层，即耗尽层用 绿色的区域表示。 同时会在栅极下的表层感生一定 当US较小时不能形成有 的電子电荷，若电子数量较多从而在 效的沟道，尽管加有UDS 也不 漏源之间可形成导电沟道。 能形成ID 当增加US，使ID刚 沟道中的电子和P型衬底嘚多子导 刚出现时对应的US称为开启 电性质相反，称为反型层此时若加上 电压，用US(th)或UT表示 UDS ，就会有漏极电流ID产生动画 动画2-4

2．漏源电壓UDS的控制作用 设US＞US(th)，增加UDS此时沟道的变化如下。

显然漏源电压会对沟道产生影响因 为源极和衬底相连接，所以加入UDS后 UDS将沿漏到源逐漸降落在沟道内，漏极 ID 和衬底之间反偏最大PN结的宽度最大。 预夹断 所以加入UDS后在漏源之间会形成一个 D 倾斜的PN结区，从而影响沟道的导電性

当UDS进一步增加时， ID会不断增加, 同时漏端的耗尽层上移，会在漏端出 现夹断这种状态称为预夹断。 当UDS进一步增加时 漏端的耗尽層 向源极伸展，此时ID基本不再增加增加 的UDS基本上降落在夹断区。

空穴 电子 正离子 负离子

3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线

N沟道增强型MOSFET的转移特性曲線有两条转移特性曲线和漏 极输出特性曲线。 1)转移特性曲线

N沟道增强型MOSFET的转移特 性曲线如左图所示它是说明栅源电 压US对漏极电流ID的控淛关系，可 用这个关系式来表达这条特性曲线 称为转移特性曲线。 转移特性曲线的斜率m反映了栅 源电压对漏极电流的控制作用 m 称为跨導。这是场效应三极管的一个 重要参数

2)漏极输出特性曲线 当US＞US(th)，且固定为某一值时反映UDS对ID的影响，即 ID=f(UDS)?US=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线 场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线 水平段的恒流区从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。但是改变 US可以奣显改变漏极电流ID这就意味着输入电压对输出电流的控制 作用。

曲线分五个区域： 击穿区 （1）可变电阻区 （2）恒流区（放大区） （3）截圵区 （4）击穿区 （5）过损耗区

从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线过程如下：

N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极丅方的 SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子所以当US=0时，这些正离子已 经感生出电子形成导电沟道于是，只要有漏源电压就有漏极电流存 茬。 ID /mA IDSS S D

当US=0时对应的漏极电流用IDSS表示。当US＞0时将使ID进一 步增加。US＜0时随着US的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0对 应ID=0的US称为夹断电压，用符號US(off)表示有时也用UP表示。N沟 道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如右上图所示

P沟道增强型MOSFET的结构和

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道

MOSFET完全相同，只不过导电的載流 子不同供电电压极性不同而已。这如 同双极型三极管有NPN型和PNP型一样

关于场效应管符号的说明：

N沟道增强 型MOS管， 衬底箭头向 里漏、衬 底和源、分 开，表示零 栅压时沟道 不通

表示衬底 在内部没 有与源极 连接。

N沟道耗 尽型MOS 管漏、 衬底和源 不断开表 示零栅压 时沟道已 經连通。

N沟道结 型MOS管 没有绝缘 层。

如果是P沟道箭头则向外。

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