N沟道增强型 MOSFET
的结构示意图和符号见图
02.13。其中：
D(Drain)为漏极，相当 c；
G(Gate)为栅极，相当 b；
S(Source)为源极，相当 e。
图 02.13 N沟道增强型
MOSFET结构示意图（ 动画 2-3）
2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理绝缘栅型场效应三极管 MOSFET( Metal Oxide
Semiconductor FET)。 分为增强型? N沟道,P沟道耗尽型? N沟道,P沟道一个是 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 G。 P型半导体称为衬底,用符号 B表示。
(1)N沟道增强型 MOSFET
① 结构根据图 02.13,N沟道增强型 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在 P型半导体上生成一层 SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的 N型区，从 N型区引出电极，
当栅极加有电压时，若
0＜ VGS＜ VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的 P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流 ID。
②工作原理
1．栅源电压 VGS的控制作用当 VGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管，
在 D,S之间加上电压不会在 D,S间形成电流。
VGS对漏极电流的控制关系可用
ID=f(VGS)?VDS=const
这一曲线描述，称为 转移特性曲线,见图 02.14。
进一步增加 VGS,当 VGS＞ VGS(th)
时（ VGS(th) 称为开启电压 )，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的 P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流 ID。 在栅极下方形成的导电沟道中的电子，
因与 P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为 反型层 。 (动画 2-4）
随着 VGS的继续增加,ID将不断增加。在 VGS=0V时 ID=0，
只有当 VGS＞ VGS(th)后才会出现漏极电流，这种 MOS管称为增强型 MOS管 。
图 02.14 VGS对漏极电流的控制特性 —— 转移特性曲线转移特性曲线的斜率 gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为 mA/V,所以
gm也称为 跨导 。跨导的定义式如下
gm=?ID/?VGS? VDS=const (单位 mS)
ID=f(VGS)?VDS=const
2．漏源电压 VDS对漏极电流 ID的控制作用当 VGS＞ VGS(th),且固定为某一值时，来分析漏源电压 VDS对漏极电流 ID的影响。 VDS的不同变化对沟道的影响如图 02.15所示。根据此图可以有如下关系
VDS=VDG＋ VGS
=－ VGD＋ VGS
VGD=VGS－ VDS
当 VDS为 0或较小时，
相当 VGS＞ VGS(th),沟道分布如图 02.15(a),此时 VDS
基本均匀降落在沟道中，
沟道呈斜线分布。 图 02.15(a) 漏源电压 VDS对沟道的影响 (动画 2-5)
当 VDS为 0或较小时,相当 VGS＞ VGS(th),沟道分布如图 02.15(a)，此时 VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。
当 VDS增加到使 VGS=VGS(th)时，沟道如图 02.15(b)所示。这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为 预夹断 。
当 VDS增加到 VGS?VGS(th)时，沟道如图 02.15(c)所示。
此时预夹断区域加长，伸向 S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,ID基本趋于不变。
当 VGS＞ VGS(th),且固定为某一值时,VDS对 ID的影响，
即 ID=f(VDS)?VGS=const这一关系曲线如图 02.16所示。这一曲线称为 漏极输出特性曲线 。
图 02.16 漏极输出特性曲线
ID=f(VDS)?VGS=const
(2)N沟道耗尽型 MOSFET
当 VGS＞ 0时，将使 ID进一步增加。 VGS＜ 0时，
随着 VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。 对应 ID=0的 VGS称为夹断电压，用符号 VGS(off)表示，
有时也用 VP表示。 N沟道耗尽型 MOSFET的转移特性曲线如图 02.17(b)所示。
N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如图
02.17(a)所示，它是在栅极下方的 SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当 VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线图 02.17 N沟道耗尽型 MOSFET的结构和转移特性曲线
P沟道增强型 MOSFET的结构和工作原理
P沟道 MOSFET的工作原理与 N沟道
MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，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。
N沟道增强型 MOSFET的结构和工作原理新改进的电子教案
2.3.2 绝缘栅场效应三极管场效应三极管有二种结构形式：
1.绝缘栅型场效应三极管又分增强型和耗尽型二类
2.结型场效应三极管 ----只有耗尽型场效应三极管在集成电路中被广泛使用,绝缘栅场效应三极管 (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 。 不象双极型三极管只有 NPN和 PNP两类,场效应三极管的种类要多一些 。 但是它们的工作原理基本相同,所以下面以增强型 N沟道场效应三极管为例来加以说明 。
2.3.2.1 N沟道增强型 MOSFET的结构
P 型衬底
B
S i O 2
N + N +
S DG
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 G。
N沟道增强型 MOSFET的符号如左图所示。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。
D
G
S
B
D
G
S
B
动画 2-3
2.3.2.2 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 UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压 UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流 ID产生影响。
1．栅源电压 UGS的控制作用
S
DG
P
N
+
N
+
S i O
型衬底
DS
U
GS
U
2
= 0
空穴 正离子电子 负离子
+ ++ +
先令漏源电压 UDS=0，加入栅源电压 UGS以后并不断增加。
UGS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，
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的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。
沟道中的电子和 P型衬底的多子导电性质相反，称为 反型层 。此时若加上
UDS,就会有漏极电流 ID产生。
反型层显然改变 UGS
就会改变沟道，
从而影响 ID，
这说明 UGS对 ID
的控制作用。
＞ 0DSU
当 UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有 UDS,也不能形成 ID 。当增加 UGS，使 ID刚刚出现时，对应的 UGS称为 开启电压,用 UGS(th)或 UT表示。
动画 2-4
2．漏源电压 UDS的控制作用设 UGS＞ UGS(th)，增加 UDS，此时沟道的变化如下。
S
DG
P
N
+
N
+
S i O 2
型衬底
DS
U
+ + + +
GS
U ＞
GS(t h)
U
空穴 正离子电子 负离子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将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。
所以加入 UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的 PN结区，从而影响沟道的导电性。
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 。
预夹断当 UDS进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展，此时 ID基本不再增加，增加的 UDS基本上降落在夹断区。
DI
动画 2-5
2.3.2.3 N沟道增强型 MOSFET的特性曲线
N沟道增强型 MOSFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线 。
1,转移特性曲线
O GSU
4
3
2
1
/V
D
I mA/
4321
U
t h( o n)
1 0 V
DS
U
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 UGS对漏极电流 ID的控制关系，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 gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm
称为 跨导 。这是场效应三极管的一个重要参数。
c o n s t
GS
D
m DS
UU
Ig 单位 mS（ mA/V）
2,漏极输出特性曲线当 UGS＞ UGS(th)，且固定为某一值时，反映 UDS对 ID的影响，即
ID=f(UDS)?UGS=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
UGS可以明显改变漏极电流 ID，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。
O
V2
GS
U
V3?
V5.3?
V4?
D
I mA/
15105
DS
U /V
恒流区
.
曲线分五个区域：
（ 1）可变电阻区
（ 2）恒流区（放大区）
（ 3）截止区
（ 4）击穿区
（ 5）过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区
O
V2
GS
U
V3?
V5.3?
V4
D
I mA/
15105
DS
U /V
恒流区
.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：
O GSU
4
3
2
1
/V
D
I mA/
4321
U
GS(th)
10VDS?U
2.3.2.4 N沟道耗尽型 MOSFET
S DG
P
N + N +
S iO 2
型衬底
D
G
S
B
B
+ + + + + + + + +
04? 3? 2? 1?
6
5
4
3
2
1
/m A
/V
D
GS
I
U
I
DSS
U
GS (of f)
N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的
SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当 UGS=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，就有漏极电流存在。
当 UGS=0时，对应的漏极电流用 IDSS表示。当 UGS＞ 0时，将使 ID进一步增加。 UGS＜ 0时，随着 UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。对应 ID=0的 UGS称为 夹断电压,用符号 UGS(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。
夹断电压
IDSS
关于场效应管符号的说明：
D
G
S
B
D
G
S
B
D
G
S
B
S
G
D
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经连通。
N沟道结型 MOS管。
没有绝缘层。
如果是 P沟道，箭头则向外。
的结构示意图和符号见图
02.13。其中：
D(Drain)为漏极，相当 c；
G(Gate)为栅极，相当 b；
S(Source)为源极，相当 e。
图 02.13 N沟道增强型
MOSFET结构示意图（ 动画 2-3）
2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理绝缘栅型场效应三极管 MOSFET( Metal Oxide
Semiconductor FET)。 分为增强型? N沟道,P沟道耗尽型? N沟道,P沟道一个是 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 G。 P型半导体称为衬底,用符号 B表示。
(1)N沟道增强型 MOSFET
① 结构根据图 02.13,N沟道增强型 MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在 P型半导体上生成一层 SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的 N型区，从 N型区引出电极，
当栅极加有电压时，若
0＜ VGS＜ VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的 P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流 ID。
②工作原理
1．栅源电压 VGS的控制作用当 VGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管，
在 D,S之间加上电压不会在 D,S间形成电流。
VGS对漏极电流的控制关系可用
ID=f(VGS)?VDS=const
这一曲线描述，称为 转移特性曲线,见图 02.14。
进一步增加 VGS,当 VGS＞ VGS(th)
时（ VGS(th) 称为开启电压 )，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的 P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流 ID。 在栅极下方形成的导电沟道中的电子，
因与 P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为 反型层 。 (动画 2-4）
随着 VGS的继续增加,ID将不断增加。在 VGS=0V时 ID=0，
只有当 VGS＞ VGS(th)后才会出现漏极电流，这种 MOS管称为增强型 MOS管 。
图 02.14 VGS对漏极电流的控制特性 —— 转移特性曲线转移特性曲线的斜率 gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为 mA/V,所以
gm也称为 跨导 。跨导的定义式如下
gm=?ID/?VGS? VDS=const (单位 mS)
ID=f(VGS)?VDS=const
2．漏源电压 VDS对漏极电流 ID的控制作用当 VGS＞ VGS(th),且固定为某一值时，来分析漏源电压 VDS对漏极电流 ID的影响。 VDS的不同变化对沟道的影响如图 02.15所示。根据此图可以有如下关系
VDS=VDG＋ VGS
=－ VGD＋ VGS
VGD=VGS－ VDS
当 VDS为 0或较小时，
相当 VGS＞ VGS(th),沟道分布如图 02.15(a),此时 VDS
基本均匀降落在沟道中，
沟道呈斜线分布。 图 02.15(a) 漏源电压 VDS对沟道的影响 (动画 2-5)
当 VDS为 0或较小时,相当 VGS＞ VGS(th),沟道分布如图 02.15(a)，此时 VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。
当 VDS增加到使 VGS=VGS(th)时，沟道如图 02.15(b)所示。这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为 预夹断 。
当 VDS增加到 VGS?VGS(th)时，沟道如图 02.15(c)所示。
此时预夹断区域加长，伸向 S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,ID基本趋于不变。
当 VGS＞ VGS(th),且固定为某一值时,VDS对 ID的影响，
即 ID=f(VDS)?VGS=const这一关系曲线如图 02.16所示。这一曲线称为 漏极输出特性曲线 。
图 02.16 漏极输出特性曲线
ID=f(VDS)?VGS=const
(2)N沟道耗尽型 MOSFET
当 VGS＞ 0时，将使 ID进一步增加。 VGS＜ 0时，
随着 VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。 对应 ID=0的 VGS称为夹断电压，用符号 VGS(off)表示，
有时也用 VP表示。 N沟道耗尽型 MOSFET的转移特性曲线如图 02.17(b)所示。
N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如图
02.17(a)所示，它是在栅极下方的 SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当 VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线图 02.17 N沟道耗尽型 MOSFET的结构和转移特性曲线
P沟道增强型 MOSFET的结构和工作原理
P沟道 MOSFET的工作原理与 N沟道
MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，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。
N沟道增强型 MOSFET的结构和工作原理新改进的电子教案
2.3.2 绝缘栅场效应三极管场效应三极管有二种结构形式：
1.绝缘栅型场效应三极管又分增强型和耗尽型二类
2.结型场效应三极管 ----只有耗尽型场效应三极管在集成电路中被广泛使用,绝缘栅场效应三极管 (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 。 不象双极型三极管只有 NPN和 PNP两类,场效应三极管的种类要多一些 。 但是它们的工作原理基本相同,所以下面以增强型 N沟道场效应三极管为例来加以说明 。
2.3.2.1 N沟道增强型 MOSFET的结构
P 型衬底
B
S i O 2
N + N +
S DG
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 G。
N沟道增强型 MOSFET的符号如左图所示。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。
D
G
S
B
D
G
S
B
动画 2-3
2.3.2.2 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 UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压 UDS也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流 ID产生影响。
1．栅源电压 UGS的控制作用
S
DG
P
N
+
N
+
S i O
型衬底
DS
U
GS
U
2
= 0
空穴 正离子电子 负离子
+ ++ +
先令漏源电压 UDS=0，加入栅源电压 UGS以后并不断增加。
UGS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，
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的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。
沟道中的电子和 P型衬底的多子导电性质相反，称为 反型层 。此时若加上
UDS,就会有漏极电流 ID产生。
反型层显然改变 UGS
就会改变沟道，
从而影响 ID，
这说明 UGS对 ID
的控制作用。
＞ 0DSU
当 UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有 UDS,也不能形成 ID 。当增加 UGS，使 ID刚刚出现时，对应的 UGS称为 开启电压,用 UGS(th)或 UT表示。
动画 2-4
2．漏源电压 UDS的控制作用设 UGS＞ UGS(th)，增加 UDS，此时沟道的变化如下。
S
DG
P
N
+
N
+
S i O 2
型衬底
DS
U
+ + + +
GS
U ＞
GS(t h)
U
空穴 正离子电子 负离子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将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。
所以加入 UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的 PN结区，从而影响沟道的导电性。
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 。
预夹断当 UDS进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展，此时 ID基本不再增加，增加的 UDS基本上降落在夹断区。
DI
动画 2-5
2.3.2.3 N沟道增强型 MOSFET的特性曲线
N沟道增强型 MOSFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线 。
1,转移特性曲线
O GSU
4
3
2
1
/V
D
I mA/
4321
U
t h( o n)
1 0 V
DS
U
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 UGS对漏极电流 ID的控制关系，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 gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm
称为 跨导 。这是场效应三极管的一个重要参数。
c o n s t
GS
D
m DS
UU
Ig 单位 mS（ mA/V）
2,漏极输出特性曲线当 UGS＞ UGS(th)，且固定为某一值时，反映 UDS对 ID的影响，即
ID=f(UDS)?UGS=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
UGS可以明显改变漏极电流 ID，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。
O
V2
GS
U
V3?
V5.3?
V4?
D
I mA/
15105
DS
U /V
恒流区
.
曲线分五个区域：
（ 1）可变电阻区
（ 2）恒流区（放大区）
（ 3）截止区
（ 4）击穿区
（ 5）过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区
O
V2
GS
U
V3?
V5.3?
V4
D
I mA/
15105
DS
U /V
恒流区
.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：
O GSU
4
3
2
1
/V
D
I mA/
4321
U
GS(th)
10VDS?U
2.3.2.4 N沟道耗尽型 MOSFET
S DG
P
N + N +
S iO 2
型衬底
D
G
S
B
B
+ + + + + + + + +
04? 3? 2? 1?
6
5
4
3
2
1
/m A
/V
D
GS
I
U
I
DSS
U
GS (of f)
N沟道耗尽型 MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的
SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当 UGS=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，就有漏极电流存在。
当 UGS=0时，对应的漏极电流用 IDSS表示。当 UGS＞ 0时，将使 ID进一步增加。 UGS＜ 0时，随着 UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 ID=0。对应 ID=0的 UGS称为 夹断电压,用符号 UGS(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。
夹断电压
IDSS
关于场效应管符号的说明：
D
G
S
B
D
G
S
B
D
G
S
B
S
G
D
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经连通。
N沟道结型 MOS管。
没有绝缘层。
如果是 P沟道，箭头则向外。
