3.1　絕緣柵場效應管

絕緣柵場效應管是由金屬、氧化物和半導體制成，故又稱為金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET），簡稱MOS管，按它的制造工藝和性能可分為增強型與耗盡型兩類，每類又可分為N溝道和P溝道兩種。所謂增強型是uGS=0時，漏極與源極之間沒有導電溝道，即使在漏極與源極之間加有電壓，也沒有漏極電流；而耗盡型是uGS=0時，漏極與源極之間已經有了導電溝道。下面分別討論這兩種管子的工作原理、特性及主要參數。

3.1.1　N溝道增強型MOS管

1.結構和符號

圖3.1（a）所示為N溝道增強型MOSFET（簡稱增強型NMOS管）的結構示意圖，它以一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在P型硅中形成兩個高摻雜的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，作為源極S和漏極D；然后在硅片表面覆蓋一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在漏源極之間的絕緣層上再制造一層金屬鋁作為柵極G，另外在襯底引出襯底引線B（它通常在管內與源極S相連接）。顯見，MOSFET的柵極與源極、漏極均絕緣無電接觸，故稱絕緣柵極。其柵極、源極和漏極，分別相當于BJT的基極、發射極和集電極。

圖3.1（b）、（c）所示為N、P溝道增強型MOS管電路符號，漏極與源極間的三段短線，表示管子的原始導電溝道不存在，為增強型；垂直于溝道的箭頭表示導電溝道的類型，箭頭由P區指向N區，所以N溝道的箭頭向里，而P溝道的箭頭向外。

2.工作原理

由圖3.1（a）可見，NMOS管的兩個N區被P型襯底隔開，成為兩個背靠背的PN結（又稱耗盡層），當柵源電壓uGS=0時，不論漏源電壓uDS為何極性，總有一個PN結是反向偏置的，因此，漏極和源極之間不可能有電流通過，漏極電流iD=0。

當柵極和源極之間加上足夠大的正向偏壓uGS后，便在柵極下面的二氧化硅絕緣層中產生一個由柵極指向P型襯底的電場，在電場效應作用下，排斥柵極下面的P型襯底中的空穴（多子），將電子（少子）吸引到襯底表面，形成一個N型薄層。N型薄層的導電類型與P型襯底相反，故稱為反型層，將兩個N+區連通，形成了N型導電溝道，這時若在漏極D和源極S之間加上正向電壓uDS，就會有漏極電流iD產生，如圖3.2（a）所示。開始形成導電溝道的uGS，記作UGS（th），稱為開啟電壓。隨著uGS的增加，必將有更多的電子吸引到襯底表面，導電溝道增寬，溝道電阻減小。因此在同樣的uDS下，uGS越大，iD越大，從而實現柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制。當uGS≥UGS（th），uDS>0時，有電流iD流過導電溝道，并因iD在溝道各部位產生電壓降，使溝道的截面積從左到右逐步變小，且當uGS-uDS=UGS（th）時，在溝道最右端的靠近漏極處產生預夾斷，如圖3.2（b）所示。而且，當uGS-uDS<UGS（th）時，預夾斷區往左延伸，管子工作于恒流區。

歸納

NMOS管是一個受柵源電壓uGS控制的器件。當uGS<UGS（th）時，漏源之間不導通；只有當uGS>UGS（th）時，MOS管才會導通。由于在結構上漏極和源極是對稱的，所以D、S可互換使用。

3.轉移特性曲線

由于場效應管的輸入電流近于零，故不討論輸入特性。轉移特性是指uDS保持不變，iD與uGS的函數關系，即

　　（3.1）

轉移特性曲線如圖3.3（a）所示。圖中uDS=10V不變，當uGS<UGS（th）時，因沒有導電溝道，iD=0；當uGS>UGS（th）時（=2V）形成導電溝道，產生漏極電流iD；uGS增大，iD跟隨增大。

4.輸出特性

輸出特性是指uGS保持不變，iD與uDS的函數關系，即

　　（3.2）

輸出特性曲線如圖3.3（b）所示，它可分為4個區域。

（1）可變電阻區

如圖3.3（b）中Ⅰ區所示，在圖3.2（a）結構中可知，若固定uGS（=5V）>UGS（th），在柵、源極處有較大導電溝道，而在柵、漏極之間電壓為uGD=uGS-uDS（=5V-uDS），當uDS由0V逐漸增大，必使uGD逐漸減小（<uGS=5V），使漏極處溝道變狹成楔形狀。然而這時iD隨uDS成線性增加，輸出特性按線性上升，如圖中所示。這樣D、S極間等效為一個線性電阻，而阻值大小與所固定的uGS值有關。當uGS越小，iD隨uDS增長越慢，等效電阻越大。

歸納

場效應管D、S極間相當于一個受uGS電壓控制的可變電阻，稱為可變電阻區。

（2）恒流區（放大區）

當uDS增加到使uGD=UGS（th）（即uDS=uGS-UGS（th））時，在漏極附近的反型層首先消失，即導電溝道在漏極附近被夾斷；隨著uDS的增加，使uGD<UGS（th），夾斷區長度朝源極方向延伸，在達到uGD=UGS（th）后，uDS電壓再增加部分主要降落在夾斷區上，而iD不再隨uDS增加而趨于飽和，如圖3.3（b）中的Ⅱ區所示，該區域稱為輸出特性的恒流區（或稱飽和區）。

歸納

在恒流區，漏極電流iD由柵源電壓uGS控制，而與uDS基本無關，場效應管的D、S極間相當于一個受電壓uGS控制的電流源。恒流區也稱為放大區。

（3）擊穿區

若uD不斷增大，PN結因承受過大的反向電壓而擊穿，使iD急劇增大，如圖3.3（b）中的Ⅲ區所示，該區域稱為輸出特性的擊穿區。

（4）截止區

當uGS<UGS（th）時，沒有導電溝道，使iD=0。這時稱為全夾斷，該區域稱為輸出特性的截止區，為圖3.3（b）中靠近橫軸的區域（基本上與橫軸重合）。

在放大區內，只要uGS>UGS（th），增強型NMOS管的iD近似表達式為

　　（3.3）

式中，IDO是uGS=2UGS（th）時對應的iD值；UGS（th）為開啟電壓。

3.1.2　N溝道耗盡型MOS管

耗盡型NMOS管的結構示意圖和電路符號如圖3.4所示。

它的結構和增強型基本相同，主要區別是：這類管子在制造時，已在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，所以在uGS=0時，在這些正離子產生的電場作用下，漏、源極間的P型襯底表面已經出現了反型層（即N型導電溝道），只要加上正向電壓uDS，就有iD產生。如果加上了正的uGS，則加強了絕緣層中的電場，將吸引更多的電子至襯底表面，使溝道加寬，iD增大。反之，uGS為負時，則削弱了絕緣層中的電場，使溝道變窄，iD減小。當uGS負向增加到某一數值時，導電溝道消失，iD≈0，管子截止，所對應的uGS稱為夾斷電壓UGS（off）。由以上分析可知，這類管子在uGS=0時，導電溝道便已形成。當uGS由零減小到UGS（off）時，溝道逐漸變窄而夾斷，故稱為“耗盡型”。耗盡型MOS管在uGS<0、uGS=0和uGS>0的情況下都可以工作，這是它的一個重要特點。

耗盡型NMOS管的轉移特性曲線和輸出特性曲線如圖3.5所示。

它在放大區內的電流iD近似表達式為

　　（3.4）

式中，IDSS為uGS=0時對應的iD值（稱為零偏漏極電流）；UGS（off）為夾斷電壓。

3.1.3　P溝道MOS管簡介

P溝道MOS管和N溝道MOS管的主要區別在于作為襯底的半導體材料的類型，PMOS管是以N型硅作為襯底，而漏極和源極從P+區引出，形成的反型層為P型，相應溝道為P型溝道。對于耗盡型PMOS管，在二氧化硅絕緣層中摻入的是負離子。

P溝道MOS管使用時，uGS、uDS的極性與NMOS管相反。增強型PMOS管的開啟電壓UGS（th）是負值，耗盡型的P溝道場效應管的夾斷電壓UGS（off）是正值。P溝道MOS管其轉移特性曲線和輸出特性曲線形狀與N溝道MOS管相似，只是電壓極性不同。

增強型PMOS管的電路符號和耗盡型PMOS管的電路符號，已示于圖3.1（c）和圖3.4（c）中。

提示

由于絕緣柵型場效應管的輸入電阻極高，一般大于109Ω，大的可以達到1015Ω，柵極感應到的電荷難以泄放，使絕緣層內的電場強度很高，場效應管即使有較高的U（BR）GS，仍會擊穿二氧化硅絕緣層，使管子損壞。所以目前生產MOS管時，常制有過壓保護電路。

思考題

1.為什么說場效應管屬于單極型器件？

2.指出MOSFET的兩種類型。

3.如果一個耗盡型MOSFET的柵極到源極的電壓為零，則從漏極到源極的電流為多少？