场效应管

一、复习引入

三极管是电流控制型器件，使用时信号源必须提供一定的电流，因此输入电阻较低，一般在几百～几千欧左右。场效应管是一种由输入电压控制其输出电流大小的半导体器件，所以是电压控制型器件；使用时不需要信号源提供电流，因此输入电阻很高（最高可达1015Ω），这是场效应最突出的优点；此外，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低优点，因此得到了广泛的应用。

按结构的不同，场效应管可分为绝缘栅型场效管（IGFET）和结型场效应管（JFET）两大类，它们都只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故又称为单极型三极管。

二、新授

（一）N沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET

1．结构和符号

图1（a）是N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在P型衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的N 区，并用金属铝在两个N区分别引出电极，分别作为源极s和漏极d ；然后在P型硅片表面覆盖一层很薄的二氧化

硅（SiO2）绝缘层，在漏源极之间的绝缘层上再喷一层金属铝作为栅极g，另外在衬底引出衬底引线B（它通常在管内与源极s相连接）。可见这种管子的栅极与源极、漏极是绝缘的，故称绝缘栅场效应管。

这种管子由金属、氧化物和半导体制成，故称为MOSFET，简称MOS管。不难理解，P沟道增强型MOS管是在抵掺杂的N型硅片的衬底上扩散两个高掺杂的P区而制成。

（a）N沟道结构示意图（b） N沟道符号（c）P沟道符号

图1 N沟道增强型MOS管的结构与符号

图1 (b)、(c)分别为N沟道、P沟道增强型MOS管的电路符号。

2．工作原理与特性曲线

以N沟道增强型MOS管为例讨论其工作原理。

（1）工作原理

工作时，N沟道增强型MOS管的栅源电压u GS和漏源电

压u DS均为正向电压。

当u GS=0时，漏极与源极之间无导电沟道，是两个背靠的PN结，故即使加上u DS，也无漏极电流，i D=0，如图2(a)

当u GS>0且u DS较小时，在u GS作用下，在栅极下面的二氧化硅层中产生了指向P型衬底，且垂直于衬底的电场，这个电场排斥靠近二氧化硅层的P型衬底中的空穴（多子），同时吸引P型衬底中的电子（少子）向二氧化硅层方向运动。但由u GS较小，吸引电子的电场不强，只形成耗尽层，在漏、源级间尚无导电沟道出现，i D=0,如图2(b)所示。

若u GS继续增大，则吸引到栅极二氧化硅层下面的电子增多，在栅极附近的P型衬底表面形成一个N型薄层（电子浓度很大），由于它的导电类型与P型衬底相反，故称为反型层，它将两个N区连通，于是在漏、源极间形成了N型导电沟道，这时若有u DS>0，就会有漏极电流i D产生，如图2(c)所示。开始形成导电沟道时的漏源电压称为开启电压，用U GS(th)表示。一般情况下，U GS(th)约为几伏。随着U GS的增大，沟道变宽，沟道电阻减小，漏极电流i D增大，这种u GS=0时没有导电沟道，u GS>U GS(th)后才出现N型导电沟

道的MOS管，被称为N沟道增强型MOS管。

导电沟道形成后，当u DS=0时，管内沟道是等宽的。随着u DS的增加，漏极电流i D沿沟道从漏极流向源极产生电压降，使栅极与沟道内各点的电压不再相等，靠近源极一端电压最大，其值为u GS，靠近漏极一端电压最小，其值为u GD(u GD=u GS-u DS)，于是沟道变得不等宽，靠近漏极处最窄，靠近源极处最宽，如图2（c）所示。

当u DS增大到使u GD=u GS-u DS=U GS(th)时，在漏极一端的沟道宽度接近于零，这种情况称为沟道预夹断。若再增大，夹断区将向源极方向延伸，如图2(d)所示。

(2)特性曲线

(a) u GS=0时没有导电沟道 (b) u GS较小时没有导电沟道

(c)u GS>U GS(th)时产生导电沟道 (d)u DS较大时出现夹断，i D

趋于饱和

图2 N 沟道增强型MOS 管工作图解

场效应管的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线两种。由于输入电流(栅流)几乎等于零，所以讨论场效应管的输入特性是没有意义的。场效应管的输出特性又称为漏极特性。i D 与输出电压u DS 和输入电压i GS 有关，当栅源电压u GS 为某一定值时，漏极电流i D 与漏源电压u DS 之间的关系式为输出特性关系式，即 ()|GS D DS u

i f u ==常数

（1-1）

当漏源电压u DS 为某一定值时，漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系式为转移特性关系式，即

()|GS D GS u i f u ==常数（1-2）

N 沟道增强型MOS 管共源组态的输出特性曲线和转移特性曲线，分别如图3(a)和3(b)所示。

N 沟道增强型MOS 管的输出特性曲线可分为四个区域； 1）可变电阻区（也称非饱和区）满足u GS >U GS （th ）（开启电压），u DS

制的可变电阻。

(a)输出特性（b）转移特性

图3 N沟道增强型MOS管的特性曲线

2）恒流区（也称饱和区、放大区、有源区）满足U GS≥U GS(th)且U DS≥U GS-U GS(th)，为图中预夹断轨迹右边、但尚未击穿的区域，在该区域内，当u GS一定时，i D几乎不随u DS而变化，呈恒流特性。i D仅受uＧＳ控制，这时场效应管D、S间相当于一个受电压uＧＳ控制的电流源。场效应管用于放大电路时，一般就工作在该区域，所以也称为放大区。

3）夹断区（也称截止区）满足u GS＜U GS(th)为图中靠近横轴的区域，其沟道被全部夹断，称为全夹断，iＤ＝0，管子不工作。

4）击穿区位于图中右边的区域。随着u DS的不断增大，PN结因承受太大的反向电压而击穿，iＤ急剧增加。工作时应避免管子工作在击穿区。

转移特性曲线可以从输出特性曲线上用作图的方法