场效应管及其电路

第4章场效应管及其电路本章要点

●MOS管的原理、特性和主要参数

●结型场效应管原理、特性及主要参数

●场效应管放大电路的组成与原理

本章难点

●MOS管的原理和转移特性及主要参数

●场效应管的微变等效电路法

场效应管(FET)是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电路中。

场效应管按其结构不同分为结型(JFET)和绝缘栅型(IGFET)两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。

4.1 绝缘栅场效应管(MOSFET)

绝缘栅型场效应管简称MOS管，由于其内部由金属—氧化物—半导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每一类中又有N沟道和P沟道之分。下面主要讨论N沟道增强型MOS管的工作原理，其余三种仅做简要介绍。

4.1.1 N沟道增强型场效应管(NMOS管)

1．结构

N沟道增强型MOS管的结构如图4-1(a)所示。它是在一块掺杂浓度较低的P型硅片(称为衬底)上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N+区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极S和漏极D，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极，作为栅极G，另外从衬底引出衬底引线B(工作时通常与源极S接在一起)。在两个N+区之间的半导体区，是载流子从源极S流向漏极D的通道，把它称为导电沟道。由于栅极与导电沟道之间被二氧化硅所绝缘，故将此类场效应管称为绝缘栅型。

图4-1(b)是N沟道增强型MOS管的符号，其中箭头方向是由P(衬底)指向N(沟道)，

由此可判断沟道类型。符号中的三条断续线表示

GS

0 =

U不存在导电沟道，它是判断增强型MOS管的特殊标志。

(a)结构示意图 (b)电路符号

图4-1 N 沟道增强型MOS 管

2．工作原理

工作时，N 沟道增强型MOS 管的栅源电压GS u 和漏源电压DS u 均为正向电压，如图4-2所示。

图4-2 N 沟道增强型MOS 管工作原理

(1) 栅源电压GS 0=u 时的情况

此时，漏源之间为一条由半导体N-P-N 组成的两个反向串联的PN 结，因此即使加入漏源电压DS u ，因无导电沟道形成，漏极电流D 0=i ，如图4-2(a)所示。

(2) 栅源电压GS 0>u ，漏源电压DS 0=u 时的情况

由于源极与衬底相连，所以从栅极经绝缘层到衬底间形成了垂直于半导体表面的电场。该电场排斥P 衬底的多子(空穴)，同时吸引其中的少子(电子)，当栅源间的正电压达到某一数值后，在P 衬底靠近栅极的表面就会形成以自由电子为主体(即N 型半导体)的导电薄层。这种由P 型半导体转化成的N 型薄层，被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导体N-N-N 组成的导电沟道，如图4-2(b)所示。若此时加入漏源电压DS u ，就会

有漏极电流D i 产生。我们把开始出现漏极电流D i 时的栅源电压GS u 称作开启电压，用T U

表示。

栅源电压大于T U 后，GS u 越大，垂直电场就越强，反型层越厚，导电沟道的断面就越宽，加上漏源电压DS u 后形成的电流D i 就越大，体现出“增强型”的含义。由此可以看出，通过改变GS u 的大小，能够起到控制输出电流D i 的目的。

3．特性曲线

(1) 转移特性曲线

转移特性曲线是指增强型NMOS 管在漏源电压DS u 一定时，输出电流D i 与输入电压GS u 的关系曲线，即

D GS DS ()i f u u ==常数

它表示在某一固定的DS u 下，输入电压GS u 对输出电流D i 的控制特性，图4-3(a)所示的为DS 10V ＝

u 的一条转移特性曲线，曲线上D 0＝i 处的GS u 值就是开启电压T U 。转移特性曲线的表达式为

2

GS D DO T 1u i I U ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

- (GS T >u U ) (4-1)

式中，DO I 是GS

T 2=u U 时的D i 值, T U 为开启电压。

(2) 输出特性曲线

输出特性是指增强型NMOS 管在栅源电压GS u 一定时，输出电流D i 与漏源电压DS u 的关系曲线，即

D DS GS ()i f u u ==常数

如图4-3(b)所示，下面参照输出特性曲线，简单分析DS u 对D i 的影响情况。

图4-3 N 沟道增强型MOS 管特性曲线

在正向电压DS u 的作用下，D i 自漏极流至源极，于是在导电沟道上就产生了压降，使得沟道上各点与栅极间的电压不再相等，靠近漏极附近的电压GD u 小于源极附近的电压GS u 。漏极附近的电场减弱，反型层变薄，导电沟道呈楔形，如图4-4所示。若DS u 值较

小，沟道形状变化不大，D i 与DS u 成线性关系，若DS u 再继续增大，漏极附近的沟道将变得更薄，直至GD T =u U 时沟道被夹断，此后随着DS u 的增大，夹断区向源极方向延伸，漏极电流D i 趋于饱和。

图4-4 NMOS 管DS u 对D i 的影响情况

4.1.2 P 沟道增强型场效应管(PMOS 管)

P 沟道增强型MOS 管和N 沟道增强型MOS 管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，P 沟道增强型MOS 管以N 型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从P +引出，反型层为P 型，对应的导电沟道也为P 型结构，其符号如图4-5所示。

图4-5 P 沟道增强型MOS 管电路符号

在工作过程中，P 沟道增强型MOS 管的GS u 、DS u 的极性与N 沟道增强型MOS 管相反，均为负值，因此其开启电压T U 值也为负。至于P 沟道增强型MOS 管的工作过程与N 沟道增强型MOS 管大体相同，这里不再赘述。

另外，在实际应用中，常常将P 沟道增强型MOS 管和N 沟道增强型MOS 管结合起来使用，称为CMOS ，也可称为互补MOS 。由CMOS 构成的电路在功耗、抗干扰能力方面都优于由晶体管构成的电路，同时它还具有结构简单，便于大规模集成、制造费用较低等特点。因此由CMOS 构成的集成逻辑电路越来越得到广泛应用。

4.1.3 N 沟道耗尽型场效应管

N 沟道耗尽型MOS 管在制造时，在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。因而即使GS 0＝u ，P 衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道，其结构如图4-6(a)所示。我们将GS 0＝u 时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管，符号中导电沟道用实线表示，如图4-6(b)。此时若接入正向的DS u ，就会有漏极电流D i (即饱和漏极电流DSS I )产生；当GS 0>u 时，垂直电场增强，沟道变宽，电流D i 增大；当