3.1 場效應晶體管

3.1.1 場效應晶體管的結構、符號及工作原理

1. 增強型絕緣柵場效應晶體管

（1）結構與符號

圖3-1所示為N溝道增強型MOS管的結構與符號，它是以P型半導體作為襯底，用半導體工藝技術制作兩個高濃度的N型區，在兩個N型區分別引出一個金屬電極，作為MOS管的源極S和漏極D；在P形襯底的表面生長一層很薄的SiO2絕緣層，絕緣層上引出一個金屬電極稱為MOS管的柵極G。由于柵極與漏極之間都是絕緣的，因而稱之為絕緣柵型。B為從襯底引出的金屬電極，一般工作時襯底與源極相連。符號中的箭頭表示從P區（襯底）指向N區（N溝道），從N區（襯底）指向P區（N溝道），虛線表示增強型。

（2）N溝道增強型MOS管的工作原理

N溝道增強型MOS管工作原理如圖3-2所示，在柵極G和源極S之間加電壓UGS，漏極D和源極S之間加電壓UDS，襯底B與源極S相連。

如圖3-2a所示，如果UGS=0，即柵極與源極之間不加電壓，無論漏、源極間加的電壓極性如何，總會有一個PN結呈反向偏置，漏、源極間都將無電流。

如果UGS>0，柵極（金屬）和襯底（P型硅片）相當于以二氧化硅為介質的平板電容器，在UGS作用下，介質中便產生一個垂直于P型襯底表面的由柵極指向襯底的電場，從而將襯底里的電子感應到表面上來。當UGS較小時，感應到襯底表面上的電子數很少，并被襯底表層的大量空穴復合掉；當UGS增加超過某一臨界電壓時，介質中的強電場才在襯底表面層感應出“過剩”的電子。于是，便在P型襯底的表面形成一個N型層，稱為反型層。這個反型層將兩個N型區接通，從而建立了N型導電溝道，相當于將漏、源極連在一起。若此時加上漏源電壓UDS，就會產生ID。改變UGS，可以改變溝道的厚薄，也就是能夠改變溝道的電阻，從而可以改變漏極電流ID的大小。由此可見，改變柵源電壓UGS的大小，可以控制漏極電流ID。

這種在UGS=0時沒有導電溝道，必須依靠柵源正電壓的作用，才能形成導電溝道的場效應晶體管，稱為增強型場效應晶體管。

2. 耗盡型絕緣柵場效應晶體管

（1）結構與符號

以N溝道耗盡型MOS管為例。N溝道耗盡型絕緣柵場效應晶體管的結構和增強型基本相同，只是在制作這種管子時，預先在二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子，耗盡型MOS管的結構與符號如圖3-3所示。

（2）N溝道耗盡型MOS管的工作原理

結合圖3-3所示，在UGS=0時，由于正離子的作用，也能在P型襯底表面形成感生溝道，將源區和漏區連接起來。當漏、源極之間加上正電壓UDS時，就會有較大的漏極電流ID。如果UGS為負，介質中的電場被削弱，使N型溝道中感應的負電荷減少，溝道變薄（電阻增大），因而ID減小。UGS>0的時，此時在N型溝道中感應出更多的負電荷，使ID更大。由此可見，不論柵源電壓為正，還是為負都能起控制ID大小的作用。

3.1.2 場效應晶體管的特性曲線

場效應晶體管的特性曲線分為轉移特性曲線和輸出特性曲線。

1. 轉移特性曲線

在UDS一定時，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關系稱為轉移特性，即

漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。圖3-4為N溝道增強型絕緣柵場效應晶體管的轉移特性曲線，在一定的漏源電壓下，使增加型MOS管形成導電溝道，產生漏極電流時所對應的柵源電壓稱為開啟電壓，用UGS（th）表示。顯然，只有當UGS≥UGS（th）時，柵源電壓才可以控制漏極電流，它們的關系可近似表示為

式中的IDO是UGS=2UGS（th）時的ID值。

2. 輸出特性曲線（漏極特性曲線）

輸出特性是指柵源電壓UGS一定，漏極電流ID與漏極電壓UDS之間的關系，即

ID=f（UDS）UDS=常數

漏極電流ID與漏極電壓UDS之間的關系曲線，稱為輸出特性曲線。圖3-5為N溝道增強型絕緣柵場效應晶體管的輸出特性曲線。它也有3個區域：

①截止區。

指UGS<UGS（th）的區域。由于此時還未形成導電溝道，因此ID≈0。

②可變電阻區。

指UDS較小時與縱軸之間的區域。這時導電溝道已形成，ID隨著UDS的增大而增大。由于導電溝道的電阻大小隨UGS而變，故稱為可變電阻區。

③恒流區-線性放大區。

當UDS增大到脫離可變電阻區時，ID不隨UDS的增大而增大，ID趨于恒定值。但ID的大小隨UGS的增加而增加，體現了場效應晶體管UGS控制ID的放大作用。

表3-1為各種場效應晶體管的特性比較。

3.1.3 場效應晶體管的主要參數

1.開啟電壓UGS（th）、夾斷電壓UGS（off）

這是指UDS等于某一定值，使漏極電流ID等于某一微小電流時的柵、源之間的電壓UGS。對于增強型MOS管稱為開啟電壓UGS（th）；對于耗盡型MOS管稱為夾斷電壓UGS（off）。

2.跨導gm

跨導gm是表示柵源電壓對漏極電流控制作用大小的參數，也是表示場效應晶體管放大能力的參數。它的數值等于UDS為定值時，漏極電流ID的變化量ΔID與引起這個變化的柵源電壓UGS的變化量ΔUGS的比值，即

跨導的單位為mA/V，即mS（毫西門子）。

3.飽和漏極電流IDSS

飽和漏極電流IDSS是指耗盡型MOS管在UGS=0時，外加的漏極電壓使MOS管工作在恒流區時，對應的漏極電流。

4.直流輸入電阻RGS

直流輸入電阻RGS是指UDS一定值時，柵源之間的直流電阻。因為MOS管柵、源極之間存在SiO2絕緣層，故RGS數值很大，一般可達109～1014Ω。

5.擊穿電壓U（BR）GS

擊穿電壓U（BR）GS是指管子發生擊穿，ID急劇上升時的UDS值，使用時UGS<U（BR）GS。