場效應(yīng)管

場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。

場效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單場極型晶體管。

場效應(yīng)管種類

場效應(yīng)管分為兩種類別：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）。下文會(huì)著重介紹場效應(yīng)管種類的具體知識(shí)與區(qū)別。

結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）

結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)與符號

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示，在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個(gè)不對稱的P+N結(jié)，即耗盡層。把兩 個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c相對應(yīng)。夾在兩個(gè)P+N結(jié)中間的N區(qū)是電流的通道，稱為導(dǎo)電溝道（簡稱溝道）。

這種結(jié)構(gòu)的管子稱為N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，它在電路中用下圖所示的符號表示，柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結(jié)正向偏置時(shí)，柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。

N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作原理完全相同，現(xiàn)以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，分析其工作原理。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)，需要外加如圖1所示的偏置電壓（鼠標(biāo)單擊圖1中“結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理”)，即在柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS＜0)，使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108W左右)。在漏-源極間加一正電壓 (vDS＞0)，使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏 -源電壓vDS的影響。因此，討論場效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD 的影響。

（1）柵極電壓VGS對iD的控制作用

為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，如圖1(a)所示。當(dāng)vGS<0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖1(b)所示。當(dāng)|vGS|進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖1(c)所示。

由于耗盡層中沒有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的 電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用VP表示。上述分析表明，改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，iD減小。上述效應(yīng)也可以看作是柵 -源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場，電場強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。

（2）漏電電壓VDS對iD的影響

設(shè)vGS值固定，且VP隨著vDS的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的P+N結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時(shí)，漏極附近的耗盡層即在A點(diǎn)處合攏，如圖2(b)所示，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。與前面講過的整個(gè)溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流iD≠0。

因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng)，并被強(qiáng)電場拉向漏極。若vDS繼續(xù)增加，使 vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì)有增加，即自A點(diǎn)向源極方向延伸，如圖2(c)，夾斷區(qū)的電阻越來越大，但漏極電流iD卻基本 上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上，溝道電場強(qiáng)度增加不多，因而iD基本不變。但 當(dāng)vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結(jié)上反向電壓將使P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD會(huì)急劇增加，正常工作時(shí)vDS不能超過V(BR)DS。

（3）從結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時(shí)的原理可知：

① 結(jié)型場效應(yīng)管柵極與溝道之間的P+N結(jié)是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。

② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場效應(yīng)管是電壓控制電流器件。

③ 預(yù)夾斷前，即vDS較小時(shí)，iD與vDS間基本呈線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的電源極性相反。

絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）

絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管的種類較多，有PMOS、NMOS和VMOS功率管等，但目前應(yīng)用最多的是MOS管。MOS絕緣柵場效應(yīng)管也即金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管，通常用MOS表示，簡稱作MOS管。它具有比結(jié)型場效應(yīng)管更高的輸入阻抗（可達(dá)1012Ω以上），并且制造工藝比較簡單，使用靈活方便，非常有利于高度集成化。

絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）結(jié)構(gòu)與符號

MOS場效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖1。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；

電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；

電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。

MOS管N溝道增強(qiáng)型與耗盡型

增強(qiáng)型MOS管

所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過柵極和襯底間形成的電容電場作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成導(dǎo)電溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。

進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱為開啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，如下圖

增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作原理

N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管

N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極（漏極D、源極S）。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號B表示。柵源電壓VGS的控制作用：當(dāng)VGS=0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖，如下圖所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴(kuò)散工藝在襯底上擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)（用N+表示），并在此N型區(qū)上引出兩個(gè)歐姆接觸電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區(qū)、漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極（用G表示）。從襯底引出一個(gè)歐姆接觸電極稱為襯底電極（用B表示）。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應(yīng)管。

當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0時(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級，也就是說D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

當(dāng)將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS﹥0時(shí),如下圖（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場。在這個(gè)電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)到某一電壓UT時(shí)，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如下圖（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時(shí)才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。這就是為什么把它稱為增強(qiáng)型的緣故。

在UGS﹥UT的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS，導(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮瑁匝刂鴾系喇a(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應(yīng)的溝道最薄；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

當(dāng)UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如下圖（a）所示。繼續(xù)增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如下圖（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）的電壓降保持不變，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS－(UGS－UT)]全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場的作用，會(huì)很快的漂移到漏極.(插圖對電導(dǎo)的影響）。

MOS管P溝道增強(qiáng)型與耗盡型

P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖，通過光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū)，分別引出電極（源極S和漏極D），同時(shí)在漏極與源極之間的SO絕緣層上制作金屬，稱為柵極G。

在正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏心極對源極的電壓Vds應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏。

P溝道耗盡型場效應(yīng)管

耗盡型MOS場效應(yīng)管，是在制造過程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在P型襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)UDS>0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當(dāng)UGS更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表示。

耗盡型場效應(yīng)管工作原理

（1）N溝道耗盡型場效應(yīng)管

溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)類似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過程中應(yīng)用離子注入法預(yù)先在襯底的表面，在D、S之間制造的，稱之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖1.（a）所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。

所以當(dāng)VGS＝0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應(yīng)ID＝0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。

由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。

如果在柵極加負(fù)電壓（即uGS＜0＝，就會(huì)在相對應(yīng)的襯底表面感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。

當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì)產(chǎn)生漏極電流，即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓，其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖所示。

N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線

（2）P溝道耗盡型場效應(yīng)管

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
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