3.1 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

3.1.1 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作原理

1. 增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)

圖3-1所示為N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)，它是以P型半導(dǎo)體作為襯底，用半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作兩個(gè)高濃度的N型區(qū)，在兩個(gè)N型區(qū)分別引出一個(gè)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(zhǎng)一層很薄的SiO2絕緣層，絕緣層上引出一個(gè)金屬電極稱(chēng)為MOS管的柵極G。由于柵極與漏極之間都是絕緣的，因而稱(chēng)之為絕緣柵型。B為從襯底引出的金屬電極，一般工作時(shí)襯底與源極相連。符號(hào)中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指向N區(qū)（N溝道），從N區(qū)（襯底）指向P區(qū)（N溝道），虛線(xiàn)表示增強(qiáng)型。

（2）N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

N溝道增強(qiáng)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(wú)論漏、源極間加的電壓極性如何，總會(huì)有一個(gè)PN結(jié)呈反向偏置，漏、源極間都將無(wú)電流。

如果UGS>0，柵極（金屬）和襯底（P型硅片）相當(dāng)于以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器，在UGS作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生一個(gè)垂直于P型襯底表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)，從而將襯底里的電子感應(yīng)到表面上來(lái)。當(dāng)UGS較小時(shí)，感應(yīng)到襯底表面上的電子數(shù)很少，并被襯底表層的大量空穴復(fù)合掉；當(dāng)UGS增加超過(guò)某一臨界電壓時(shí)，介質(zhì)中的強(qiáng)電場(chǎng)才在襯底表面層感應(yīng)出“過(guò)剩”的電子。于是，便在P型襯底的表面形成一個(gè)N型層，稱(chēng)為反型層。這個(gè)反型層將兩個(gè)N型區(qū)接通，從而建立了N型導(dǎo)電溝道，相當(dāng)于將漏、源極連在一起。若此時(shí)加上漏源電壓UDS，就會(huì)產(chǎn)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(jiàn)，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(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，必須依靠柵源正電壓的作用，才能形成導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，稱(chēng)為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

2. 耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管

（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)

以N溝道耗盡型MOS管為例。N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)型基本相同，只是在制作這種管子時(shí)，預(yù)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(jié)構(gòu)與符號(hào)如圖3-3所示。

（2）N溝道耗盡型MOS管的工作原理

結(jié)合圖3-3所示，在UGS=0時(shí)，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(qū)和漏區(qū)連接起來(lái)。當(dāng)漏、源極之間加上正電壓UDS時(shí)，就會(huì)有較大的漏極電流ID。如果UGS為負(fù)，介質(zhì)中的電場(chǎng)被削弱，使N型溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷減少，溝道變薄（電阻增大），因而ID減小。UGS>0的時(shí)，此時(shí)在N型溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使ID更大。由此可見(jiàn)，不論柵源電壓為正，還是為負(fù)都能起控制ID大小的作用。

3.1.2 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線(xiàn)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性曲線(xiàn)分為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)。

1. 轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

在UDS一定時(shí)，漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性，即

漏極電流ID與柵源電壓UGS之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。圖3-4為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，在一定的漏源電壓下，使增加型MOS管形成導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，用UGS（th）表示。顯然，只有當(dāng)UGS≥UGS（th）時(shí)，柵源電壓才可以控制漏極電流，它們的關(guān)系可近似表示為

式中的IDO是UGS=2UGS（th）時(shí)的ID值。

2. 輸出特性曲線(xiàn)（漏極特性曲線(xiàn)）

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(guān)系，即

ID=f（UDS）UDS=常數(shù)

漏極電流ID與漏極電壓UDS之間的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)為輸出特性曲線(xiàn)。圖3-5為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線(xiàn)。它也有3個(gè)區(qū)域：

①截止區(qū)。

指UGS<UGS（th）的區(qū)域。由于此時(shí)還未形成導(dǎo)電溝道，因此ID≈0。

②可變電阻區(qū)。

指UDS較小時(shí)與縱軸之間的區(qū)域。這時(shí)導(dǎo)電溝道已形成，ID隨著UDS的增大而增大。由于導(dǎo)電溝道的電阻大小隨UGS而變，故稱(chēng)為可變電阻區(qū)。

③恒流區(qū)-線(xiàn)性放大區(qū)。

當(dāng)UDS增大到脫離可變電阻區(qū)時(shí)，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(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)晶體管UGS控制ID的放大作用。

表3-1為各種場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性比較。

3.1.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)

1.開(kāi)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(shí)的柵、源之間的電壓UGS。對(duì)于增強(qiáng)型MOS管稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UGS（th）；對(duì)于耗盡型MOS管稱(chēng)為夾斷電壓UGS（off）。

2.跨導(dǎo)gm

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

跨導(dǎo)的單位為mA/V，即mS（毫西門(mén)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(shí)，外加的漏極電壓使MOS管工作在恒流區(qū)時(shí)，對(duì)應(yīng)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(shí)，柵源之間的直流電阻。因?yàn)镸OS管柵、源極之間存在SiO2絕緣層，故RGS數(shù)值很大，一般可達(dá)109～1014Ω。

5.擊穿電壓U（BR）GS

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