第第5章章 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类是另一类重要的微电子器件。这是一种重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件电压控制型多子导电器件，又称，又称为为单极型晶体管单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点 输入阻抗高；输入阻抗高； 温度稳定性好；温度稳定性好； 噪声小；噪声小； 大电流特性好；大电流特性好； 无少子存储效应，开关速度高；无少子存储效应，开关速度高； 制造工艺简单；制造工艺简单； 各管之间存在天然隔离，适宜于制作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结型栅场效应晶体管（ J FET ）肖特基势垒栅场效应晶体管（肖特基势垒栅场效应晶体管（ MESFET ）绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（ IGFET 或或 MOSFET ) 场效应晶体管（场效应晶体管（FET）的分类的分类 JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 为例，用一为例，用一个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个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。结，并加上反向电压。利用利用 PN 结势垒区宽度随反向电压的结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的变化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。导电能力。两种两种 FET 的不同之处仅在于，的不同之处仅在于，JFET 是利用是利用 PN 结结作为控制栅，而作为控制栅，而 MESFET 则是利用金则是利用金- 半结（肖特基势垒结）半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。来作为控制栅。 MOSFET( IGFET) 的工作原理略有不同，利用电场能来控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。制半导体的表面状态，从而控制沟道的导电能力。 根据沟道导电类型的不同，每类根据沟道导电类型的不同，每类 FET 又可分为又可分为 N 沟道器件沟道器件 和和 P 沟道器件沟道器件。 J - FET 的基本结构的基本结构源、漏源、漏 MESFET 的基本结构的基本结构 MOSFET 的基本结构的基本结构 绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管 按其早期器件的纵向结构按其早期器件的纵向结构又被称为又被称为 “金属金属 -氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管”，简称为，简称为 MOSFET ， 但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，但现在这种器件的栅电极实际不一定是金属，绝缘绝缘栅栅也不一定也不一定是是氧化物，但氧化物，但仍被习惯地称为仍被习惯地称为 MOSFET 。 5.1 MOSFET 基础基础 5.1.1 MOSFET 的结构的结构P 型衬底型衬底 以以 N 沟道沟道 MOSFET 为例，为例， 5.1.2 MOSFET 的的工作原理工作原理 当当 VGS VT 时，栅下时，栅下的的 P 型硅表面发生型硅表面发生 强反型强反型 ，形成连通源、漏区的，形成连通源、漏区的 N 型型 沟道沟道 ，在在 VDS 作用下产生漏极电流作用下产生漏极电流 ID 。对于恒定的对于恒定的 VDS ，VGS 越大越大 ，沟道中的电子就越多沟道中的电子就越多 ，沟道电阻就越小，沟道电阻就越小，ID 就越大。就越大。 所以所以 MOSFET 是通过改变是通过改变 VGS 来控制沟道的导电性，从来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流而控制漏极电流 ID ，是一种电压控制型器件。是一种电压控制型器件。 转移特性曲线转移特性曲线：VDS 恒定时的恒定时的 VGS ID 曲线。曲线。MOSFET 的的转移特性反映了栅源电压转移特性反映了栅源电压 VGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控制能力的控制能力。 N 沟道沟道 MOSFET 当当VT 0 时，称为时，称为增强型增强型 ，为，为常关型常关型。VT 0 时，称为时，称为耗尽型耗尽型 ，为，为常开型常开型。IDVGSVT0IDVGSVT0 P 沟道沟道 MOSFET 的特性与的特性与 N 沟道沟道 MOSFET 相对称，即：相对称，即： (1) 衬底为衬底为 N 型，源漏区为型，源漏区为 P+ 型。型。 (2) VGS 、VDS 的极性以及的极性以及 ID 的方向均与的方向均与 N 沟相反。沟相反。 (3) 沟道中的可动载流子为空穴。沟道中的可动载流子为空穴。 (4) VT 0 时称为耗尽时称为耗尽型（常开型）。型（常开型）。 5.1.3 MOSFET 的的类型类型 线性区线性区 当当 VDS 很小时，沟道就象一个阻值与很小时，沟道就象一个阻值与 VDS 无关的无关的 固定电阻固定电阻，这时这时 ID 与与 VDS 成线性关系，如图中的成线性关系，如图中的 OA 段所示。段所示。 输出特性曲线：输出特性曲线：VGS VT 且恒定时的且恒定时的 VDS ID 曲线。可分为曲线。可分为以下以下 4 段段 5.1.4 MOSFET 的输出特性的输出特性 过渡区过渡区 随着随着 VDS 增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线增大，漏附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。当逐渐下弯。当 VDS 增大到增大到 VDsat ( 饱和漏源电压饱和漏源电压 ) 时，漏端处的时，漏端处的可动电子消失，这称为沟道被可动电子消失，这称为沟道被 夹断夹断，如图中的，如图中的 AB 段所示。段所示。 线性区与过渡区统称为线性区与过渡区统称为非饱和区非饱和区，有时也统称为，有时也统称为线性区线性区。 饱和区饱和区 当当 VDS VD sat 后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。后，沟道夹断点左移，漏附近只剩下耗尽区。这时这时 ID 几乎与几乎与 VDS 无关而保持常数无关而保持常数 ID sat ，曲线为水平直线，如，曲线为水平直线，如图中的图中的 BC 段所示。段所示。 实际上实际上 ID 随随 VDS 的增大而略有增大，曲线略向上翘。的增大而略有增大，曲线略向上翘。 击穿区击穿区 当当 VDS 继续增大到继续增大到 BVDS 时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源时，漏结发生雪崩击穿，或者漏源间发生穿通，间发生穿通，ID 急剧增大，如图中的急剧增大，如图中的 CD 段所示。段所示。 将各曲线的夹断点用虚线连接起来，将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为非饱和区，虚线左侧为非饱和区，虚线右侧为饱和区。虚线右侧为饱和区。 以以 VGS 作为参变量，可得到不同作为参变量，可得到不同 VGS下的下的 VDS ID 曲线族，曲线族，这就是这就是 MOSFET 的的 输出特性曲线输出特性曲线。 4 种类型种类型 MOSFET 的特性曲线小结的特性曲线小结