1、FET基礎知識及電參數測試介紹基礎知識及電參數測試介紹場效應三極管場效應三極管只有一種載流子參與導電，且利用電場效應來控制只有一種載流子參與導電，且利用電場效應來控制電流的三極管，稱為電流的三極管，稱為場效應管場效應管，也稱，也稱單極型三極管單極型三極管。場效應管分類場效應管分類結型場效應管結型場效應管絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管特點特點單極型器件單極型器件( (一種載流子導電一種載流子導電) )； 輸入電阻高；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。DSGN符符號號結型場效應管結型場效應管一、結構一、結構圖圖 1 N 溝道結型場效應

2、管結構圖溝道結型場效應管結構圖N型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+P P 型區型區耗盡層耗盡層( (PN 結結) )在漏極和源極之間加在漏極和源極之間加上一個正向電壓，上一個正向電壓，N型半型半導體中多數載流子電子可導體中多數載流子電子可以導電。以導電。導電溝道是導電溝道是N型的，型的，稱稱N溝道結型場效應管溝道結型場效應管。P P 溝道場效應管溝道場效應管圖圖 2P 溝道結型場效應管結構圖溝道結型場效應管結構圖N+N+P型型溝溝道道GSD P溝道場效應管是在溝道場效應管是在 P型型硅棒的兩側做成高摻雜的硅棒的兩側做成高摻雜的N型區型區(N+),導電溝道為導電溝道為P型

3、型，多數載流子為空穴。，多數載流子為空穴。符號符號GDS二、工作原理二、工作原理N溝道結型場效應管用改變溝道結型場效應管用改變UGS 大小來控制漏極電流大小來控制漏極電流 ID 的的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層在柵極和源極之間加反在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏道本身的電阻值增大，漏極電流極電流 ID 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 ID 電流將增加。電流將增加。 耗盡層的寬度改變主耗盡層的寬度改變主要在溝道區。要在溝道區。二、工作原理二、工作原理N溝道結

4、型場效應管用改變溝道結型場效應管用改變UGS 大小來控制漏極電流大小來控制漏極電流 ID 的的。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層*在柵極和源極之間加反在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會變寬，向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，使溝導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏道本身的電阻值增大，漏極電流極電流 ID 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 ID 電流將增加。電流將增加。 * *耗盡層的寬度改變耗盡層的寬度改變主要在溝道區。主要在溝道區。1. 設設UDS = 0 ，在柵源之間加負電源，在柵源之間加負電源 VGG，改變，改變 VGG 大小。觀察耗盡層

5、的變化。大小。觀察耗盡層的變化。ID = 0GDSN型型溝溝道道P+P+ (a) UGS = 0UGS=0時，耗盡時，耗盡層比較窄，導層比較窄，導電溝比較寬電溝比較寬UGS由零逐漸增大，由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。電溝相應變窄。當當UGS=UGS(off），），耗耗盡層合攏，導電溝道盡層合攏，導電溝道被夾斷，夾斷電壓被夾斷，夾斷電壓 UGS(off) 為負值。為負值。ID = 0GDSP+P+N型型溝溝道道 (b) UGS 0，在柵源間加負，在柵源間加負電源電源 VGG，觀察，觀察 UGS 變化時耗盡層和漏極變化時耗盡層和漏極 ID 。UGS=0,UDG ，

6、 ID 較大較大。GS(off)UGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS0，UDG 0 時，耗盡層呈現楔形。時，耗盡層呈現楔形。( (a) )( (b) )GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UGS(off) |, ID 0,夾斷夾斷GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1) 改變改變 UGS ，改變了改變了 PN 結中電場，控制了結中電場，控制了 ID ，故稱場效應，故稱場效應管；管； (2)結型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使結型場效應管柵源之間加反向偏置電壓，使 PN 反偏，反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應管輸入電阻很高。柵極基本不取電流，因此，場效應管輸

7、入電阻很高。(c)(d)三、特性曲線三、特性曲線1. 轉移特性轉移特性(N 溝道結型場效應管為例溝道結型場效應管為例)常常數數 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUGS(off)圖圖5 轉移特性轉移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈負，愈負，ID 愈小；愈小；UGS = UGS(off)，ID 0。兩個重要參數兩個重要參數飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS(UGS=0時的時的ID)夾斷電壓夾斷電壓UGS(off) (ID=0時的時的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖4 特性曲線測試電路特性曲線測試電路+ + mA1. 轉移特性轉移特性O

8、uGS/VID/mAIDSSUGS(off)圖圖 6轉移特性轉移特性2. 漏極特性漏極特性當柵源當柵源 之間的電壓之間的電壓 UGS 不變時，漏極電流不變時，漏極電流 ID 與漏源與漏源之間電壓之間電壓 UDS 的關系，即的關系，即 結型場效應管轉移特結型場效應管轉移特性曲線的近似公式：性曲線的近似公式：常數常數 GS)(DSDUUfI)0( )1 (GS)(2)(GSDSSD時當UUUUIIoffGSoffGS IDSS/V)(GSDSoffGSUUUID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8)(offGSU預夾斷軌跡預

9、夾斷軌跡恒流區恒流區擊穿區擊穿區 可變可變電阻區電阻區漏極特性也有三個區：漏極特性也有三個區：可變電阻區、恒流區和擊穿區。可變電阻區、恒流區和擊穿區。2. 漏極特性漏極特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS圖圖 7特性曲線測試電路特性曲線測試電路+ + mA圖圖 8漏極特性漏極特性場效應管的兩組特性曲線之間互相聯系，可根據漏極場效應管的兩組特性曲線之間互相聯系，可根據漏極特性用作圖的方法得到相應的轉移特性。特性用作圖的方法得到相應的轉移特性。UDS = 常數常數ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4

10、V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5結型場效應管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，結型場效應管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達可達 107 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應管。緣柵場效應管。圖圖 9在漏極特性上用作圖法求轉移特性在漏極特性上用作圖法求轉移特性絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管 由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬-氧化物氧化物-半半導體場效應管，或簡稱導體場效應管，或簡稱 MOS 場效應管。場效應管。特點：輸入電阻可達特點：輸入電

11、阻可達 109 以上。以上。類型類型N 溝道溝道P 溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型UGS = 0 時漏源間存在導電溝道稱時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；耗盡型場效應管；UGS = 0 時漏源間不存在導電溝道稱時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。增強型場效應管。一、一、N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管場效應管1. 結構結構P 型襯底型襯底N+N+BGSDSiO2源極源極 S漏極漏極 D襯底引線襯底引線 B柵極柵極 G圖圖 10N 溝道增強型溝道增強型MOS 場效應管的結構示意圖場效應管的結構示意圖2. 工作原理工作原理 絕緣柵場效應管利用絕緣柵場效應

12、管利用UGS來控制來控制“感應電荷感應電荷”的多少，的多少，改變由這些改變由這些“感應電荷感應電荷”形成的導電溝道的狀況，以控制形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流漏極電流 ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS = 0 漏源之間相當于兩個背靠漏源之間相當于兩個背靠背的背的 PN 結，無論漏源之間加何結，無論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導電總是不導電。SBD圖圖 11(2) UDS = 0，0 UGS UGS(th)導電溝道呈現一個楔形。導電溝道呈現一個楔形。漏極形成電流漏極形成電流 ID 。b. UDS=UGS UGS(th)， UGD=UGS(th)靠近漏極溝道達到臨界開

13、靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷。啟程度，出現預夾斷。c. UDS UGS UGS(th)，UGD UGS(th)由于夾斷區的溝道電阻很大，由于夾斷區的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時，導電逐漸增大時，導電溝道兩端電壓基本不變，溝道兩端電壓基本不變，ID 因而基本不變。因而基本不變。a. UDS UGS(th)P 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區夾斷區DP型襯底型襯底N+N+BGSVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDD夾斷區夾斷

14、區圖圖 12UDS 對導電溝道的影響對導電溝道的影響(a) UGD UGS(th)(b)UGD= UGS(th)(c)UGD UGS(th)3. 特性曲線特性曲線(a)轉移特性轉移特性(b)漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VO)(GSthGSUU預夾斷軌跡預夾斷軌跡恒流區恒流區擊穿區擊穿區 可變可變電阻區電阻區UGS UGS(th) 時時)三個區：可變電阻區、三個區：可變電阻區、恒流區恒流區( (或飽和區或飽和區) )、擊穿區。、擊穿區。UGS(th) 2UGS(th)IDOUGS /VID /mAO圖圖 13圖圖 14二、二、N 溝道耗盡型溝道耗盡型 MOS 場效應管場效應管P型襯底型襯

15、底N+N+BGSD+制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在這些正離子電場在 P 型襯底中型襯底中“感應感應”負電荷，形成負電荷，形成“反反型層型層”。即使。即使 UGS = 0 也會形成也會形成 N 型導電溝道。型導電溝道。+UGS=0，UDS0，產生，產生較大的漏極電流；較大的漏極電流；UGS 0；UGS 正、負、正、負、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)(a)轉移特性轉移特性IDSS圖圖 1.4.15MOS 管的符號管的符號SGDBSGDB(b)漏極特性漏極特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=

16、0 3 V 1 V 2 V432151015 20圖圖 16特性曲線特性曲線場效應管的主要參數場效應管的主要參數一、直流參數一、直流參數飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS2. 夾斷電壓夾斷電壓 UGS(off)/開啟電壓開啟電壓 UGS(th)3. 直流輸入電阻直流輸入電阻 RGS 輸入電阻很高。結型場效應管一般在輸入電阻很高。結型場效應管一般在 107 以上，絕以上，絕緣柵場效應管更高，一般大于緣柵場效應管更高，一般大于 109 。二、交流參數二、交流參數1. 低頻跨導低頻跨導 gm2. 極間電容極間電容 用以描述柵源之間的電壓用以描述柵源之間的電壓 UGS 對漏極電流對漏極電流 ID 的控

17、的控制作用。制作用。常常數數 DSGSDmUUIg單位：單位：ID 毫安毫安(mA)；UGS 伏伏(V)；gm 毫西門子毫西門子(mS) 這是場效應管三個電極之間的等效電容，包括這是場效應管三個電極之間的等效電容，包括 CGS、CGD、CDS。 極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。一般為幾個皮法。三、極限參數三、極限參數1. 漏極最大允許耗散功率漏極最大允許耗散功率 PDM2. 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 U(BR)DS3. 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓U(BR)GS 漏極耗散功率轉化為熱能使管子的溫度升高。漏極耗散功率轉化為熱能使管子的溫度升高。當漏極電流當漏極電流 ID 急劇上升產生雪崩擊穿時的急劇上升產生雪崩擊穿時的 UDS 。 場效應管工作時，柵源間場效應管工作時，柵源間PN結處于反偏狀態，若結處于反偏狀態，若UGSU(BR)GS，PN將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿況類似，屬于破壞性擊穿。種種 類類符符 號號轉移特性轉移特性漏極特性漏極特性 結型結型N 溝道溝道耗耗盡盡型型 結型結型P 溝道溝道耗耗盡盡型型 絕緣絕緣柵型柵型 N 溝道溝道增增強強型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBU