场效应管

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。主要有两种类型（junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管（metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET）。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单场极型晶体管。

场效应管种类

场效应管分为两种类别：结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。下文会着重介绍场效应管种类的具体知识与区别。

结型场效应管（JFET）

结型场效应管结构与符号

结型场效应管的结构如下图所示，在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两 个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。它们分别与三极管的基极b、发射极e和集电极c相对应。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。

这种结构的管子称为N沟道和P沟道结型场效应管，它在电路中用下图所示的符号表示，栅极上的箭头表示栅-源极间的P+N结正向偏置时，栅极电流的方向（由P区指向N区）。

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压（鼠标单击图1中“结型场效应管的工作原理”)，即在栅-源极间加一负电压(vGS＜0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压 (vDS＞0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏 -源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD 的影响。

（1）栅极电压VGS对iD的控制作用

为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图1(a)所示。当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图1(b)所示。当|vGS|进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图1(c)所示。

由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的 电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用VP表示。上述分析表明，改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。上述效应也可以看作是栅 -源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。

（2）漏电电压VDS对iD的影响

设vGS值固定，且VP随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图2(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。

因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加，使 vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图2(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本 上趋于饱和，iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但 当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。

（3）从结型场效应管正常工作时的原理可知：

① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG≈0，输入阻抗很高。

② 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。

③ 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。

绝缘栅场效应管（MOS管）

绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管的种类较多，有PMOS、NMOS和VMOS功率管等，但目前应用最多的是MOS管。MOS绝缘栅场效应管也即金属一氧化物一半导体场效应管，通常用MOS表示，简称作MOS管。它具有比结型场效应管更高的输入阻抗（可达1012Ω以上），并且制造工艺比较简单，使用灵活方便，非常有利于高度集成化。

绝缘栅场效应管（MOS管）结构与符号

MOS场效应三极管分为：增强型（又有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1。其中：电极 D（Drain） 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

电极 G（Gate） 称为栅极，相当于的基极；

电极 S（Source）称为源极，相当于发射极。

MOS管N沟道增强型与耗尽型

增强型MOS管

所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间形成的电容电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层；同时将吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，不足以形成导电沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS＝0V时ID＝0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，所以,这种MOS管称为增强型MOS管。VGS对漏极电流的控制关系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，如下图

增强型场效应管工作原理

N沟道增强型场效应管

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极（漏极D、源极S）。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。栅源电压VGS的控制作用：当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。

N沟道增强型MOSFET的结构示意图，如下图所示。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并在此N型区上引出两个欧姆接触电极，分别称为源极（用S表示）和漏极（用D表示）。在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极（用G表示）。从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极（用B表示）。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以称它为绝缘栅型场效应管。

当栅极G和源极S之间不加任何电压，即UGS=0时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012W的数量级，也就是说D、S之间不具备导电的沟道，所以无论漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即UGS﹥0时,如下图（a）所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。如果进一步提高UGS电压，使UGS达到某一电压UT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，如下图（b）所示。反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的UGS值称为阈值电压或开启电压，用UT表示。显然，只有UGS﹥UT时才有沟道，而且UGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强。这就是为什么把它称为增强型的缘故。

在UGS﹥UT的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压UGD最小，其值为UGD=UGS－UDS,相应的沟道最薄；靠近源区一端的电压最大，等于UGS,相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着UDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当UDS增大到某一临界值，使UGD≤UT时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如下图（a）所示。继续增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夹断点向源极方向移动，如下图（b）所示。尽管夹断点在移动，但沟道区（源极S到夹断点）的电压降保持不变，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分电压[UDS－(UGS－UT)]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极.(插图对电导的影响）。

MOS管P沟道增强型与耗尽型

P沟道增强型MOS管的结构示意图，通过光刻、扩散的方法或其他手段，在N型衬底（基片）上制作出两个掺杂的P区，分别引出电极（源极S和漏极D），同时在漏极与源极之间的SO绝缘层上制作金属，称为栅极G。

在正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连，而漏心极对源极的电压Vds应为负值，以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏。

P沟道耗尽型场效应管

耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。

耗尽型场效应管工作原理

（1）N沟道耗尽型场效应管

沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似，只有一点不同，就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时，沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面，在D、S之间制造的，称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图1.（a）所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。

所以当VGS＝0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID＝0。对应ID＝0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。

由于耗尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之间的沟道已经存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变厚，沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压（即uGS＜0＝，就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生一个耗尽层，使沟道变窄，沟道电导减小。

当负栅压增大到某一电压Up时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断（耗尽），这时即使uDS仍存在，也不会产生漏极电流，即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压，其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的结构图和转移特性曲线分别如图所示。

N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线

（2）P沟道耗尽型场效应管

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
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