第六节　场效应管

前面讨论的三极管是一种电流控制器件，这类三极管工作时两种载流子都参与导电，故称为双极型三极管。双极型三极管在工作时，必须要给基极提供一定的电流，也就是必须要从信号源获取信号电流，这对于有一定内阻的微弱信号源来说，也许不能被放大器有效地接收到。20世纪60年代，出现了一种利用电场效应来控制电流的半导体器件——场效应管，它属于电压控制器件，工作时仅靠半导体中某一种多数载流子导电，因此又称单极型晶体管。场效应管的主要特点是输入电阻极高（最高可达1015Ω），工作时几乎不从信号源吸取电流，它还具有稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、耗电少、制造工艺简单、便于集成等优点。

按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型两大类，其中绝缘栅型场效应管的应用更为广泛。

一、绝缘栅型场效应管

绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成，所以称为金属-氧化物-半导体型场效应管（metal-oxide-semiconductor type field effect transistor，MOSFET）简称MOS管。MOS管分为N沟道和P沟道两类，每类又分为增强型和耗尽型两种，区别在于耗尽型MOS管有原始的导电沟道，而增强型MOS管则没有。下面以N沟道MOS管为例，讨论MOS管的结构、工作原理和特性曲线，然后指出耗尽型MOS管的特点。

1.N沟道增强型MOS管

1）结构和符号

图1-43所示为增强型MOS管的结构示意图和图形符号。它是以一块掺杂浓度较低的P型硅材料作为衬底，在它的表面两端分别制成两个高掺杂浓度的N+区，然后在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，并在二氧化硅的表面及两个N+区的表面分别安置三个铝电极——栅极（G）、源极（S）、漏极（D），就成了N沟道MOS管。通常将衬底（B）与源极（S）接在一起使用。

因为栅极与漏极和源极之间都是绝缘的，故称为绝缘栅型场效应管。图1-43（b）、（c）是N沟道增强型MOS管的图形符号。箭头方向表示PN结加正向偏置电压时的电流方向，箭头向内的为N沟道，向外的为P沟道。因栅极与漏极和源极之间都是绝缘的，符号中G与D和S是间隔开的，这一点可以与结型场效应管相区别；因漏极与源极之间无原始的导电沟道，符号中D、S间用断开线表示，这一点可以和耗尽型符号相区别。

2）工作原理

对于N沟道增强型MOS管，在栅-源之间、漏-源之间均应加正向电压，MOS管才能正常工作。如栅-源电压uGS=0时，则漏-源之间是两个背对背的PN结，无论加在漏-源之间的电压uDS极性如何变化，总会有一个PN结处于反向偏置状态，漏-源之间不会有导电沟道，也就不会有电流，漏极电流iD=0，如图1-44（a）所示。

MOS管的栅极（金属铝层）和P型硅衬底相当于一个以SiO2为介质的平板电容器，当uGS>0时，在uGS的作用下，栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，而形成耗尽区。当uGS增大到一定值时，一方面耗尽区加宽，另一方面将衬底中的电子吸引到衬底与绝缘层之间，形成一个N型薄层，并将两个N+区接通，通常把这个N型薄层称为反型层。这个反型层实际上构成了源-漏极间的N型导电沟道。若此时在漏-源之间加上电压uDS，就会有漏极电流iD通过。通常将在一定的uDS作用下，使导电沟道刚刚形成的栅-源电压uGS称为开启电压，用UTH表示，N沟道MOS管UTH为正值。由于这类场效应管在uGS=0时，iD=0，只有在uGS>UTH后才出现沟道并形成电流，如图1-44（b）所示，故称为增强型MOS管。

以后，随着uGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻变小，漏极电流iD增大，实现了栅-源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。

当uGS>UTH，且为一个确定值时，漏-源之间便产生了均匀的具有一定宽度的导电沟道。但当漏-源电压uDS加上后，导电沟道的宽度不再相等，靠近漏极处的沟道变窄，而靠近源极处的沟道较宽，呈现出楔形状态。这是由于iD流过沟道时，沿沟道方向产生一个电压降落，使沟道上各点的电位不同，因而各点与栅极之间的电位差就不相等（即加在平板电容器上各处的电压不相等），靠近漏极电位差最低，靠近源极电位差最高，因而使沟道呈现楔形，如图1-44（c）所示。当外加漏-源电压uDS较小时，漏-源极间的导电沟道是相通的，如图1-44（b）所示。这时只要uGS一定，沟道电阻也是一定的，所以iD随uDS线性变化。随着uDS的增大，靠近漏极的沟道越来越窄，一旦uDS增大到使uGD=UTH（即uGS-uDS=UTH）时，沟道在靠近漏极侧出现夹断点，称为临界夹断或预夹断，如图1-44（c）所示。如继续增大uDS（使uGS-uDS<UTH）时，夹断点将向源极侧延伸，形成一个夹断区。出现夹断区后，uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，因此漏极电流iD几乎不随uDS的增大而增大，iD趋于恒流，iD的值仅决定于uGS。

3）特性曲线

N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线分别如图1-45（a）、（b）所示。转移特性曲线是场效应管工作在预夹断状态下，且uDS为一定值时，漏极电流iD与栅-源电压uGS的关系曲线。转移特性反映uGS对iD的控制作用，由曲线看出只有当uGS≥UTH时，才有iD产生，因此由转移特性曲线可得场效应管的开启电压UTH。在预夹断状态下，即uGS>UTH，uDS>uGS-UTH。转移特性可用式（1-8）表示：

式中，IDO为uGS=2UTH时的iD值。

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的关系曲线，又称漏极特性，如图1-45（b）所示。输出特性曲线可分为三个区：夹断区、可变电阻区和恒流区。

（1）夹断区：指靠近横轴uGS<UTH的区域，图1-45中UTH=2V。由于这时还没有形成导电沟道，因此漏极电流iD=0，场效应管处于截止状态。工作在夹断区的条件是：uGS<UTH。夹断区的工作特点是：漏-源之间无导电沟道，iD=0，场效应管相当于开关断开。

（2）可变电阻区：指纵轴与预夹断轨迹（uDS=uGS-UTH）之间的区域。在uDS较小时，导电沟道分布是均匀的，当uGS为一定值时，iD与uDS呈线性关系，说明沟道电阻为一定值。而当uGS变化时，沟道电阻会随uGS的变化而改变，uGS不同，沟道电阻的大小不同，因此将这个区域称为可变电阻区。工作在可变电阻区的条件是：uGS>UTH且uDS<uGS-UTH。可变电阻区的工作特点是：uDS很小，iD随uDS的增加近似直线上升，iD与uDS呈线性关系。在可变电阻区，场效应管等效为一个受uGS控制的可变电阻。

（3）恒流区：指预夹断轨迹右边、特性曲线近似水平的区域，又称线性放大区。在uGS≥UTH时，导电沟道已形成，当增大uDS使uGS-uDS<UTH时，靠近漏极侧的导电沟道出现夹断，iD不再随uDS的增加而增加，并趋于恒流。工作在恒流区的条件是：uGS>UTH且uDS>uGS-UTH。恒流区的工作特点是：iD>0且iD的大小只受uGS控制，而与uDS无关，场效应管呈现恒流特性，故称为恒流区。当uGS增大时，iD随之增大，曲线表现为一簇平行于横轴的直线。在恒流区，场效应管相当于一个受电压uGS控制的电流源。场效应管用于放大电路时应工作在恒流区。

2.N沟道耗尽型MOS管

1）结构和符号

N沟道耗尽型MOS管的结构与N沟道增强型MOS管的结构相似，只是耗尽型MOS管在制造过程中，预先在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，在正离子的作用下，使P型衬底表面感应出较多的电子，形成一定厚度的N型反型层，使得场效应管无须外加栅-源电压就能形成原始的导电沟道，其结构示意图如图1-46（a）所示。同样，如果用N型半导体做衬底，可制成P沟道耗尽型MOS管。N沟道耗尽型MOS管的图形符号如图1-46（b）所示，箭头向内的为N沟道，向外的为P沟道。因漏极与源极之间有原始的导电沟道，符号中D、S间用实线表示。

2）工作原理

N沟道耗尽型MOS管工作时，漏-源之间加正向电压，而栅-源之间所加电压uGS可正、可负，也可以是0，这一特点使它的应用具有较大的灵活性。由于有原始导电沟道，即使uGS=0时，只要外加电压uDS就会有漏极电流iD。如果UGS>0，则导电沟道变宽，iD增大；如果uGS<0，则导电沟道变窄，iD减小。当uGS小到一定值时，导电沟道会消失，iD=0，称为沟道夹断，把沟道刚刚夹断时所对应的栅-源电压uGS值称为夹断电压，用UP表示，N沟道MOS管的UP为负值。

同样，当uDS增大到使uGD=UP时，沟道也出现预夹断，预夹断后iD趋于饱和进入恒流状态，只受uGS控制，与uDS的大小几乎无关。把uGS=0时的预夹断漏极电流，称为饱和漏极电流IDSS。

3）特性曲线

N沟道耗尽型MOS管的特性曲线如图1-47所示。

由转移特性曲线可以看出，无论uGS是正、是负，还是零，都能控制iD。当uGS=0时，iD=IDSS；当iD=0时，uGS=UP。即由转移特性可求得场效应管的UP和IDSS值。在预夹断状态，即uGS>UP，uDS>uGS-UP。在转移特性曲线上iD与uGS的关系为

N沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线也分为夹断区、可变电阻区和恒流区三个区。夹断区的工作条件是：uGS≤UP；可变电阻区的工作条件是：uGS>UP，uDS<uGS-UP（uGD>UP）；恒流区的工作条件是：uGS>UP，uDS>uGS-UP（uGD<UP）。

3.场效应管的主要参数

（1）开启电压UTH。在uDS为某一固定值的条件下，产生漏极电流iD所需的最小uGS值称为开启电压UTH。它是增强型MOS管的主要参数，N沟道MOS管UTH>0，P沟道MOS管UTH<0。

（2）夹断电压UP。在uDS为某一固定值的条件下，当漏极电流iD接近于零时所对应的uGS值称为夹断电压UP。它是耗尽型MOS管的主要参数，N沟道MOS管UP<0，P沟道MOS管UP>0。

（3）漏极饱和电流IDSS。在uGS=0的条件下，外加uDS使MOS管发生预夹断（工作在恒流区）时的漏极电流，称为漏极饱和电流IDSS。只有耗尽型MOS管才有此参数。

（4）直流输入电阻RGS。在漏-源之间短路的条件下，栅-源之间所加电压与产生的栅极电流之比称为直流输入电阻。其值很高，绝缘栅型MOS管一般大于109Ω。

（5）漏-源击穿电压U（BR）DS。漏极电流iD从恒流值开始急剧上升时所对应的漏-源电压称为漏-源击穿电压U（BR）DS。

（6）栅-源击穿电压U（BR）GS。使二氧化硅绝缘层击穿时所对应的栅-源电压值称为栅-源击穿电压U（BR）GS。

（7）低频跨导gm。低频跨导用来描述栅-源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。其定义为：当uDS为某一固定值时，漏极电流iD的变化量与栅-源电压uGS的变化量之比，称为跨导，即gm=ΔiD/ΔuGS。它反映了MOS管的放大能力，与三极管的β值相似，它的单位是mS（毫西）。

（8）漏极最大耗散功率PDM。指允许消耗在场效应管上的最大功率，它等于漏极电流iD与漏-源电压uDS的乘积。PDM的大小决定于MOS管的温升，工作中，iDuDS之积不能大于PDM。

4.场效应管与三极管的比较

场效应管与三极管比较有如下特点：

（1）场效应管是一种电压控制器件，由栅-源电压控制漏极电流；而三极管是一种电流控制器件，通过基极电流控制集电极电流。

（2）场效应管工作时，参与导电的载流子仅有一种多数载流子电子（或空穴），称为单极型器件；而三极管除了多数载流子电子（或空穴）参与导电外，还有少数载流子空穴（或电子）也参与导电，称为双极型器件。

（3）场效应管的输入电阻很高，可达数百兆欧以上；而三极管的输入电阻较低，一般只有几百欧至几十千欧。

（4）场效应管受温度、辐射的影响小，噪声系数低；而三极管容易受温度、辐射等外界因素影响，噪声系数大。

（5）如果场效应管的衬底不与源极相连，其漏极与源极可以互换使用；但三极管的集电极与基极不能互换使用。

此外，场效应管还有制造工艺简单、成本低、功耗小、便于集成等优点。

※二、结型场效应管

1.结型场效应管的结构和符号

结型场效应管也有N沟道和P沟道两种。图1-48（a）是N沟道结型场效应管的结构示意图，在一块N型半导体的两侧，利用半导体工艺制成了两个高浓度的P+区，形成两个PN结。将两侧的P+区相连，引出一个电极，称为栅极（G），在N区的两端各引出一个电极，分别称为漏极（D）和源极（S）。两个PN结中间的N区便是载流子流经漏极和源极的通道，称为导电沟道，具有这种结构的场效应管称为N沟道结型场效应管。图1-48（b）是其图形符号，箭头方向为栅极与沟道间PN结的正方向，可作为场效应管导电沟道类型的区别标志，箭头向内的为N沟道，向外的为P沟道。P沟道结型场效应管的结构示意图和图形符号如图1-49所示。结型场效应管的漏极（D）与源极（S）可互换使用。

2.结型场效应管的工作原理（以N沟道为例）

N沟道结型场效应管正常工作时，栅-源之间加反向电压，即uGS<0，使两个PN结反偏，耗尽层向导电沟道伸展；而在漏-源之间加正向电压，即uDS>0，以形成漏极电流iD，如图1-50所示。

通过改变加在栅-源之间的反向电压uGS来改变PN结耗尽层的宽度，从而改变了导电沟道的宽度，也就是改变了导电沟道的电阻，最终实现对电流iD的控制。反向电压uGS对导电沟道的影响是全面的、均匀的，当uGS=0时，导电沟道最宽，导电沟道的电阻最小，可以通过较大的电流；反向电压uGS增大，导电沟道变窄，导电沟道的电阻增大，通过的电流将减小；当反向电压uGS增大到某一值时，耗尽层合拢在一起，导电沟道将消失，漏-源之间的电流被阻断，这种现象称为夹断。使导电沟道刚刚消失时所对应的uGS电压，称为夹断电压，用UP表示。夹断时，栅极与导电沟道中线上各点的电位差都是UP。N沟道结型场效应管的UP为负值。

当加上uDS后，形成漏极电流iD，但导电沟道的宽度就不相等了，靠近漏极的导电沟道最窄，而靠近源极的导电沟道最宽，呈现出楔形。这是由于iD流过导电沟道时，沿导电沟道方向产生一个电压降落，使导电沟道上各点的电位不同，因而各点与栅极之间的电位差就不相等（即加在PN结上各处的反向电压不相等），靠近漏极电位差最高，靠近源极电位差最低，因而使导电沟道呈现楔形。改变VDD使uDS增大，当uDS增大到使uGD=UP时，楔形导电沟道靠近漏极端一点出现夹断，这种现象称为预夹断。预夹断后，iD趋于饱和，只受uGS控制，与uDS的大小几乎无关。把uGS=0时的预夹断漏极电流，称为漏极饱和电流IDSS。

3.结型场效应管的特性曲线

（1）转移特性曲线。转移特性曲线是结型场效应管工作在预夹断状态下，且uDS为一定值时，漏极电流iD与栅-源电压uGS的关系曲线，如图1-51（a）所示。转移特性是描述栅-源电压uGS对漏极电流iD控制作用的。当uGS=0时，对应的iD最大，称为漏极饱和电流，用IDSS表示；当uGS=UP时，导电沟道被夹断，iD=0，UP为夹断电压；当UP≤uGS≤0时，iD与uGS的关系为

（2）输出特性曲线。输出特性曲线是以栅-源电压uGS为参变量，漏极电流iD与漏-源电压uDS的关系曲线，如图1-51（b）所示。其输出特性曲线也分三个区：夹断区、可变电阻区、恒流区。结型场效应管正常工作时，栅-源之间加的是反向电压（栅-源之间PN结反偏），因此有较高的输入电阻；无论是可变电阻区的RDS还是恒流区的iD，都受栅-源电压uGS的控制，这都说明结型场效应管是电压控制器件。

三、各种场效应管的特性比较及使用注意事项

1.各种场效应管的特性比较

前面以N沟道场效应为例，讨论了增强型和耗尽型绝缘栅型场效应管以及结型场效应管的工作原理、特性及参数。同样，P沟道场效应管的工作原理与同类型N沟道场效应管类似，只是工作时所加的栅-源电压、漏-源电压的极性与N沟道相反，所形成的漏极电流的方向也相反。另外，对P沟道场效应管，UP为正值，UTH为负值，IDSS流出场效应管。P沟道场效应管的特性曲线可记忆为与N沟道场效应管特性曲线关于坐标原点对称。为便于读者学习，将各类场效应管的特性列表进行比较，见表1-3。

2.场效应管的使用注意事项

（1）使用场效应管时，各极电源极性应按规定接入，且勿将结型场效应管的栅-源电压极性接反，以免PN结因正偏过电流而烧毁；绝对不能超过各极限参数规定的数值。

（2）在MOS管中，有的产品将衬底引出，这种场效应管有四个引脚，可让使用者根据电路的需要来连接。一般来说，衬底引线的连接应保证与衬底有关的PN结处于反偏，以实现衬底与其他电极的隔离。但在某些特殊的电路中，当源极的电位很高或很低时，为减轻衬底间电压对场效应管导电性能的影响，可将源极与衬底连在一起。

（3）从结构上看，场效应管的漏极与源极是对称的，可以互换使用。但有些产品制作时已将衬底与源极在内部连在一起，这种场效应管的漏极与源极是不可以互换使用的，使用时必须注意。

（4）由于MOS管的输入电阻极高，使得栅极的感应电荷不易泄放，导致在栅极产生很高的感应电压，造成SiO2绝缘层击穿，使场效应管永久性损坏。为此，应避免栅极悬空和减少外界感应。储存时，应将场效应管的三个电极短路，放在屏蔽的金属内；当把场效应管焊接到电路上或取下来时，应先用导线将各电极绕在一起；焊接场效应管所用的电烙铁必须接地良好，最好断电用余热焊接。

（5）结型场效应管可以在开路状态下保存，可以用万用表检查其质量；MOS管不能用万用表检查，必须用测试仪，而且要在接入测试仪后才能去掉各电极的短路线，取下时则应先将各电极短路。

续上表