第一章  半导体器件基础

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知识点五：场效应管

场效应管同三极管一样，也是一种放大器件，所不同的是：三极管是一种电流控制器件，它利用基极电流对集电极电流的控制作用来实现放大；而场效应管则是一种电压控制器件，它利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有多子一种载流子，因此又称为单极性器件。

根据结构不同，场效应管分为两大类：结型场效应管和绝缘栅场效应管。

（一）结型场效应管

结型场效应管分为N沟道结型管和P沟道结型管。它们都具有3个电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和基电极相对应。

1. 结型场效应管的结构与符号

以N沟道结型管为例，它是在一片N型半导体的两侧，用半导体工艺技术分别执着两个高浓度的P型区。两P型区相连引出一个电极，称为场效应管的栅极G（g）.N型半导体的两端各引出一个电极，分别作为管子的漏极D(d)和源极S（s）。两个PN结中间的N型区域称为导电沟通。图1.32所示为N沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的箭头表示由P区指向N区。

P沟道结型场效应管的构成与N沟道类似，只是所用杂质半导体的类型要反过来。图1.33所示为P沟道结型场效应管结构与符号。

2. N沟道结型场效应管的工作原理

①当栅源电压UGS=0时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的N型导电沟道比较宽，沟道电阻小，如图1.34所示。

②当UGS< 0时，两个PN结反向偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大，如图1.35所示。随UGS越来越小，当UGS≤Up时，两个PN结的耗尽层完全合拢，N型导电沟道被完全夹断，沟道导通电阻为无穷大。Up称为场效应管的夹断电压，如图1.36所示。

可见，调整栅源电压UGS的值，可以改变导电沟道的宽度，从而调整沟道的导通电阻。

③当时，可产生漏极电流ID。ID的大小随栅源电压UGS的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。

UDS的存在使得漏极附近的电位高，而源附近的电位低，即沿N型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的PN结所加大反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如图1.37所示。

当UDS较小时（ UGD= UGS- UDS> Up），两个PN结之间的导电沟通是畅通的，这时，随UDS的增大，漏极电流ID增大；当Ic上升到使得UDS时，导电沟道在漏极附近首先被夹断，称为预夹断。此后UDS增加，预夹断长度增加，但ID几乎不再随UDS上升而上升。

另外，为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间的PN结必须反向偏置。

3. 结型场效应管的特性曲线及主要参数

（1）输出特性曲线

输出特性曲线是指栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间的关系曲线，如图1.38所示。从图1.38中可见，一定的UGS对应一条曲线，在曲线的起始部分随UDS的增大，ID上升，但当UDS大到一定值后，曲线则比较平坦。改变UGS的值，可得到一组曲线。

场效应管的输出特性可分为4个区域：可变电阻区、恒流区、截至区（夹断区）和击穿区。

①可变电阻区。在图1.38中，可变电阻区是指预夹断轨迹左方的区域。在此区域，导电沟通畅通，ID随UDS的上升而上升。同时，在此区域，调整UGS的值，可改变导电沟道的宽度，从而调整D、S间的导通电阻。

②恒流区。在图1.38中，恒流区是指曲线比较平坦的区域。在此区域，ID几乎与UDS 无关，ID受 UGS控制，改变UGS可改变ID。放大电路中的场效应管要工作在此区域。

③截至区（夹断区）。截至区是指导电沟被完全夹断，UGS≤UP的区域。在此区域，ID≈0，漏极和源极间的电阻近似为无穷大，管子截至。

④击穿区。在图1.38中，击穿区是指UDS增大，ID突然增大的区域。在此区域，UDS比较大，管子击穿。正常工作时，场效应管不允许进入此区域。

（2）转移特性曲线

在场效应管的UDS一定时， ID与UGS之间的关系称为转移特性，如图1.39所示，它反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。

当UGS=0v时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流IDSS。

当UGS=Up时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称Up为夹断电压。

（3）主要参数

①夹断电压Up。当UDS为某一固定值（一般取10v）时，使漏极电流ID近似为零的栅源电压值称为Up。

②饱和漏极电流IDSS。当UDS为某一固定值（一般取10V）时，UGS=0时所对应的漏极电流称为IDSS。它是结型场效应管所能输出的最大电流。

③直流输入电阻RGS。它是指栅源之间所加的一定电压与栅源电流的比值。场效应管正常工作时，栅极几乎不取电流，直流输入电阻很大，结型场效应管的

。

④最大耗散功率PDM 它是指管子允许的最大耗散功率，与三极管的PCM相当。正常工作时，管子上的功率消耗不能超过PDM,否则会烧坏管子。

⑤低频跨导gm. gm为UDS一定时，漏极电流的变化量与栅源电压变化量的比值，即

gm反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制及放大作用，单位是mS(毫西门子)。

⑥漏源击穿电压U(BR)DS。U(BR)DS是指栅源之间的击穿电压值。使用时，UDS不允许超过此值。

⑦漏源击穿电压U(BR)GS。U(BR)GS是指栅源之间的击穿电压值。 栅源之间一旦击穿将造成管子短路，使管子损坏。

（二）绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管是由金属（Metal）、氧化物(Oxide)和半导体（Semiconductor）材料构成的，因此又叫MOS管。

绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括N沟道和P沟道两种类型。 增强型MOS管是指场效应管的栅源电压来开启导电沟道。

增强型MOS管是指场效应管的栅源电压UGS=0时，管子没有导电沟通道，加上电压UDS,没有漏极电流ID产生。管子需要一定的栅源电压来开启导电沟道。

耗尽型MOS管是指场效应管的栅源电压UGS=0时，管子的导电沟道已经存在，加上电压UDS，就会有漏极电流ID产生。不需要开启导电沟道。

1. 增强型绝缘栅场效应管

（1）结构与符号

以N沟道增强型MOS管为例，它以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管道源极S和漏极D;在P型衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。B为从衬底因此的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。图1.40所示为N沟道增强型MOS管的结构与符号。

可见，管子构成后栅极G与漏极D，源极S之间无电接触，有一层绝缘层，因此称管子为绝缘栅场效应管。D和S之间有两个背靠背的PN结，没有导电沟道，加上电压UDS，也不会有漏极电流ID产生。

符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），虚线表示增强型。

（2）N沟道增强型MOS管道工作原理

如图1.41所示，在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS,衬底B与源极S相连。

当UGS=0时，漏极和源极之间为两个背靠背的PN 结，其中有一个PN结反向偏置，电阻很大，D和S之间无电流流过，如图1.41（a）所示。

当UGS>0时，在UGS的作用下，D和S间绝缘层中会产生一个垂直于P衬底表面的电场，此电场的方向排斥P型衬底的空穴，但会吸引P型衬底的自由电子，使自由电子汇集到衬底表面上来。随UGS增大，衬底表面汇集的自由电子增多。当UGS达到一定值后，这些电子在P型衬底表面形成一个自由电子层（又叫反型层或N型层），把漏极D和源极S连接起来，此N型层即为D,S间的导电沟道。此时若在D、S间加电压UDS,就会有漏极电流ID产生。

形成导电沟道所需要的最新栅源电压UGS,称为开启电压UT。改变栅源电压UGS的值，就可调整导电沟道的宽度，从而改变导电沟道的导通电阻，达到控制漏极电流的目的。

可见，此类管子在栅源电压UGS=0时，D 、S间没有导电沟道；UGS≥UT时，才有沟道形成，因此称此类管子为增强型管。

（3）特性曲线

①输出特性（漏极特性）曲线。它是指UGS一定时，漏极电流ID与电压UDS之间的关系曲线，图1.42所示为N沟道增强型MOS管的输出特性曲线。

由图1.42可知，N沟道增强型MOS管的输出特性曲线与N沟道结型场效应管的输出特性曲线相似，其输出特性也可分为4个区域：可变电阻区、恒流区、截至区和击穿区，各区的含义与N沟道结型场效应管一样。不同的是，这里的栅源电压UGS要大于开启电压UT， 这时在漏极和源极之间加电压UDS，才会有漏极电流ID 产生。

②转移特性曲线。转移特性曲线是指在UDS一定时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系曲线，如图1.43所示。

2. 耗尽型绝缘栅场效应管

（1）结构、符号与工作原理

以N沟道耗尽型管为例。这种管子与N沟道增强型管道接口类似，不同的是在制作时， 绝缘层里面加入了大量的正离子，正离子可以把P型衬底的自由电子吸引到表面上来，形成一个N型层。所以，此类管子由于正离子的作用，即使栅源电压UGS=0，漏极D和源极S之间仍有导电沟道存在，加上电压UGS，即可产生电流ID。

图1.44所示为N沟道耗尽型MOS管的结构与符号，箭头 表示由P区指向N，实线表示耗尽型。

当UGS>0时，会吸引更多的电子到表面上来，导电沟道加宽，沟道电阻变小。

当UGS < 0时，吸引到衬底表面的电子减少，导电沟道变窄，沟道电阻变大，当UGS电压达到一定负值后，沟道会夹断，电阻为无穷大。这时，即使加上电压UGS,亦不会有电流ID产生，此时对于的栅源电压UGS称为夹断电压Up

（2）特性曲线

图1.45所示为N沟道耗尽型MOS管道输出特性和转移特性。取UDS为一定值（一般为10V），UGS=0时，对应的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS。

从图1.45中可见，耗尽型MOS管工作时，其栅源电压UGS可以为0，也可以取正值或负值，这个特点使其在应用中具有更大的灵活性。

3. 绝缘栅场效应管的主要参数

开启电压 UT 是指UDS为一定值时，形成导电沟道，使增强型MOS管导通所需要的栅源电压值。

其他主要参数与结型管的含义相同，如直流输入电阻RGS、夹断电压Up、饱和漏极电流IDSS、漏源击穿电压U（BR）DS、栅源击穿电压U（BR）GS 、最大耗散功率PDM、低频跨导gm等。只是MOS管的栅极与源极之间，因为有SIO2绝缘层的存在，其直流输入电阻RGS比较大，可以达到

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