3.2　場效應管

3.2.1　結型場效應管

結型場效應管是利用半導體內的電場效應來工作的，因而也成為體內場效應器件，結型場效應管有N溝道和P溝道兩類。

1.結構與符號

N溝道結型場效應管結構示意圖及圖形符號如圖3.2所示。在一塊N型半導體材料的兩側，利用一定的工藝做成摻雜程度比較高的P型區（用符號P+表示），則在P型區和N型區的交界處將形成一個PN結，即耗盡層。耗盡層內幾乎沒有載流子，不能參與導電。將兩側的P型區連接在一起，引出一個電極，稱為柵極（G）。再在N型區一端引出源極（S），另一端引出漏極（D）。

場效應管的3個電極與晶體管的3個電極的對應關系是：柵極G—基極B、源極S—發射極E、漏極D—集電極C，夾在兩個PN結中間的區域稱為導電溝道（簡稱溝道）。如果在漏極和源極之間加上一個正向電壓，即漏極接通電源正端，源極接電源負端，則因N型半導體材料中存在多數載流子（電子），因而可以導電。這種場效應管的導電溝道是N型的，所以稱為N溝道結型場效應管，電路符號如圖3.2（b）所示。注意圖形符號中的箭頭是指向內部的，即由P+區指向N區。

另一種結型場效應管的導電溝道是P型的，如圖3.3（a）所示，在一塊P型半導體材料的兩側做成摻雜程度比較高的N型區（用符號N+表示），并將其連在一起引出柵極（G），然后從P型半導體的兩端分別引出源極（S）和漏極（D），這就是P溝道結型場效應管，圖形符號如圖3.3（b）所示，符號中的箭頭是指向外側的，即由P區指向N+區。

以上兩種場效應管工作原理是類似的。下面以N溝道結型場效應管為例，介紹它們的工作原理及其特性曲線。

2.工作原理

N溝道結型場效應管的工作原理如圖3.4所示，從結型場效應管的結構可看出，在D、S間加上電壓uDS，則在源極和漏極之間形成漏極電流iD。通過改變柵極和源極的反向電壓uGS，則可以改變兩個PN結耗盡層的寬度。由于柵極區是高摻雜區，所以耗盡層主要形成在溝道區。故|uGS|的改變，會引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流iD。如果|uGS|上升，則溝道變窄，電阻增加，iD下降，反之亦然。所以，改變uGS的大小，可以控制漏極電流，這是場效應管工作的基本原理，也是核心部分。下面詳細進行討論。

①當結型場效應管的柵極和源極之間的電壓uGS變化時，對漏極電流iD的控制作用。為便于討論，首先假設漏-源極間所加的電壓uDS=0，則

●　當uGS=0時，兩個PN結的耗盡層均很薄，導電溝道較寬，其電阻較小。

●　當uGS<0，且其大小增加時，在這個反偏電壓的作用下，兩個PN結間的耗盡層將加寬，耗盡層將主要向N溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大。當|uGS|進一步增大到一定值|UGS（off）|時，兩側的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷。由于耗盡層中沒有載流子，因此這時漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的電壓uDS，漏極電流iD也將為零。這時的柵-源電壓uGS稱為夾斷電壓，用UGS（off）表示。由以上分析可知N溝道結型場效應管的夾斷電壓UGS（off）是一個負值。

上述分析中，因為漏極和源極之間沒有外加電源電壓，即uDS=0，所以當uGS變化時雖然導電溝道隨之發生變化，但漏極電流iD總是等于零。同時表明改變柵源之間的電壓uGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。

②當柵源之間的電壓uGS固定時，漏源之間的電壓uDS的變化對耗盡層和漏極電流iD的影響。

在漏極和源極之間加上一定的正向電壓后，將會在溝道中產生電流iD，在uGS一定時，iD的大小與uDS有關，uDS通過對溝道寬度的控制，改變溝道的等效電阻及iD的值。若假設uGS值固定，并且UGS（off）<uGS<0，則

●　當漏-源電壓uDS從零開始增大時，溝道中有電流iD流過。

●　在uDS的作用下，導電溝道呈楔形：由于溝道存在一定的電阻，因此，iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點的電位不再相等，漏極端電位最高，源極端電位最低。這就使柵極與溝道內各點間的電位差不再相等，其絕對值沿溝道從漏極到源極逐漸減小，在漏極端最大，即加到該處PN結上的反偏電壓最大，這使得溝道兩側的耗盡層從源極到漏極逐漸加寬，溝道寬度不再均勻，而呈楔形。

●　在uDS較小時，iD隨uDS增加而幾乎呈線性地增加。它對iD的影響應從兩個角度來分析：一方面uDS增加時，溝道的電場強度增大，iD隨著增加；另一方面，隨著uDS的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，iD應該下降，但是在uDS較小時，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區域內溝道仍然較寬，即uDS對溝道電阻影響不大，故iD隨uDS增加而幾乎呈線性地增加。隨著uDS的進一步增加，靠近漏極一端的PN結上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應變寬，溝道電阻相應增加，iD隨uDS上升的速度趨緩。

●　當uDS增加到uDS=uGS-UGS（off）時，即uGD=uGS-uDS=UGS（off）（夾斷電壓）時，此時溝道預夾斷，即漏極附近的耗盡層即在某一點處合攏，這種狀態稱為預夾斷。與前面講過的整個溝道全被夾斷不同，預夾斷后，漏極電流iD≠0。因為這時溝道仍然存在，溝道內的電場仍能使多數載流子（電子）作漂移運動，并被強電場拉向漏極。

●　若uDS繼續增加，使uDS>uGS-UGS（off），即uGD<UGS（off）時，耗盡層合攏部分會有增加，即自合攏處向源極方向延伸，夾斷區的電阻越來越大，但此時的漏極電流iD不再隨uDS的增加而增加，基本上趨于飽和，因為這時夾斷區電阻很大，uDS的增加量主要降落在夾斷區電阻上，溝道電場強度增加不多，因而iD基本不變。但當uDS增加到大于某一極限值（用U（BR）DS表示）后，漏極一端PN結上反向電壓將使PN結發生雪崩擊穿，iD會急劇增加，正常工作時uDS不能超過U（BR）DS。

綜上分析可知，溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型晶體管。結型場效應管是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。預夾斷前iD與uDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。另外，在柵極和源極之間加一個反向偏置電壓，使PN結反向偏置，此時可以認為柵極基本上不取電流，因此，場效應管的輸入電阻很高。P溝道結型場效應管工作時，電源的極性與N溝道結型場效應管的電源極性相反。

3.特性曲線

通常用轉移特性和輸出特性曲線來描述場效應管的電壓與電流之間的關系。

（1）轉移特性

當場效應管的漏源之間的電壓uDS保持不變時，漏極電流iD與柵源之間的電壓uGS的關系稱為轉移特性，其表達式如下：

轉移特性描述的是柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。N溝道結型場效應管的轉移特性曲線如圖3.5（a）所示。從圖中看出，當uGS=0時，iD達到最大值，uGS負值越大，iD越小。當uGS等于夾斷電壓uGS（off）時，漏極電流iD降為零。

從轉移特性曲線上可以得到兩個重要參數：一個是轉移特性曲線與橫坐標軸的交點處電壓，它表示漏極電流iD=0時的uGS，即為夾斷電壓UGS（off）；另外一個參數是轉移特性曲線與縱坐標軸交點處的電流，它表示當uGS=0時的漏極電流，稱為飽和漏極電流，用符號IDSS表示。

圖3.5（a）所示的N溝道結型場效應管的轉移特性曲線可以用以下公式近似表示：

（2）輸出特性

場效應管的輸出特性表示當柵源之間的電壓uGS不變時，漏極電流iD與漏源之間電壓uDS的關系，即

N溝道結型場效應管的輸出特性曲線如圖3.5（b）所示。該特性也是一組曲線，與雙極型晶體管的共射輸出特性曲線相似，不同之處是晶體管是不同的iB曲線組，而結型場效應管是不同的uGS曲線組。特性曲線也分為以下幾個區：

①可變電阻區：該工作區的特點是uDS較小，對于一定的uGS，iD隨uDS的增加而直線上升，二者之間基本上呈線性關系，此時場效應管相當于一個線性電阻；而當改變uGS的值時，特性曲線的斜率發生變化，即相當于電阻的阻值不同。因此在該區，場效應管的漏極與源極之間可以看成是一個由uGS控制的可變電阻區即壓控電阻，所以成為可變電阻區。uGS值越負，特性曲線斜率越小，則相應的電阻值越大，形成可變電阻區中一組曲線。

②恒流區：特性曲線中間近似水平的部分稱為恒流區（也稱飽和區）。該工作區的特點是：iD基本不隨uDS而變化，iD的值主要取決于uGS，是一組近似水平于uDS軸的曲線。該區域是線性放大區，結型場效應管作為放大元件時一般工作在這個區域。在組成放大電路時，為了防止出現非線性失真，應將工作點設置在此區域內。

③擊穿區：當漏源之間的電壓uDS超過PN結所能承受的反向電壓時，iD急劇上升，發生擊穿現象，場效應管不能正常工作，甚至損壞。所以，結型場效應管不允許工作在這個區域。

④截止區：輸出特性曲線靠近uDS軸的部分稱為截止區（也稱夾斷區），它是發生時，此時場效應管的導電溝道完全被夾斷，iD≈0。

在結型場效應管中，由于柵極與導電溝道之間的PN結被反向偏置，所以柵極基本上不取電流，其輸入電阻很高，可達107Ω以上。但是，在某些情況下希望得到更高的輸入電阻，此時可以考慮采用絕緣柵場效應管。

3.2.2　絕緣柵型場效應管

絕緣柵場效應管是一種金屬（M）-氧化物（O）-半導體（S）結構的場效應管，簡稱為MOS（Metal Oxide Semiconductor）管或MOSFET。由于這種場效應管的柵極被絕緣層隔離，因此其輸入電阻比結型場效應管更高，可達109Ω以上。它有N溝道和P溝道兩大類，每一類又有增強型和耗盡型兩種。所謂增強型是當uGS=0時，漏極與源極之間沒有導電溝道，即使在漏極和源極之間加有電壓，也沒有漏極電流；而耗盡型是當uGS=0時，漏極與源極之間已經有了導電溝道。本節以N溝道絕緣柵型場效應管為例進行講解。

1.N溝道增強MOS型管

（1）結構與符號

圖3.6（a）所示是N溝道增強型MOS管的結構示意圖。用一塊P型硅襯底，在襯底上面的左、右兩邊制成兩個高摻雜濃度的N型區，用N+表示，在這兩個N+區各引出一個電極，分別稱為源極S和漏極D，MOS管的襯底也引出一個電極稱為B襯底引線。MOS管在工作時B通常與S相連接。在這兩個N+區之間的P型半導體表面做出一層很薄的二氧化硅絕緣層，再在絕緣層上面噴一層金屬鋁電極，稱為柵極G，圖3.6（b）所示為N溝道增強型MOS管的圖形符號。

從結構上看，場效應管的柵極與源極、柵極與漏極均無電接觸，故稱為絕緣柵場效應管。它們的S、G、D極分別對應晶體管的E、B、C極。

（2）工作原理

現以圖3.7所示電路為例來討論場效應管的工作原理。這是一個N溝道增強型絕緣柵場效應管，在它的漏極D與源極S之間加上工作電壓uDS后，場效應管的輸出電流iD就受柵源之間的電壓uGS的控制。當柵極和源極之間所加的電壓uGS=0時，由于漏源之間無原始導電溝道，漏極D與襯底B之間PN反向偏置，漏極電流表顯示電流為零，場效應管處于截止狀態。

當柵源之間所加電壓uGS>0時，靠絕緣層一側的P型襯底就會感應出一層電子，即為N型層。當uGS增加至某個臨界電壓UGS（th）時，兩個分離的N+區便會接通，形成N型導電溝道，于是產生漏極電流iD，場效應管處于導通狀態。這個臨界電壓UGS（th）稱為開啟電壓。場效應管的開啟電壓相當于晶體管的死區電壓，但不同的是突破死區電壓后晶體管基極B開始有基極電流，而此時的柵極G并沒有柵極電流。顯然，越加大uGS，導電溝道就會越寬，在同樣的uDS作用下，iD也就越大，這就是MOS管中uGS控制的原理。它是利用外加電壓uGS控制半導體表面的金屬-二氧化硅中的電場效應，改變導電溝道厚薄來控制iD大小。這種uGS=0時沒有導電溝道，uGS≥UGS（th）后才有導電溝道，而且uGS越大iD越大的現象，正是“增強型”的含義。

（3）特性曲線

絕緣柵型場效應管和結型場效應管一樣都是由轉移特性曲線和輸出曲線來描述其電壓與電流之間的關系的。

轉移特性是指uDS為固定值時，iD與uGS之間的關系，表示了uGS對iD的控制作用，即

由于uDS對iD的影響較小，所以不同的uDS所對應的轉移特性曲線基本上是重合在一起的，如圖3.8（a）所示。這時iD可以近似地表示為：

式中，IDO是uGS=2UGS（th）時的iD值。另外，在使用時要注意，其中的uGS必須大于UGS（th），否則iD=0。

由圖3.8（a）可知，當uGS=0時，iD=0；當uGS>UGS（th）時，輸出電流iD隨著uGS的增大而增大。

輸出特性是指uGS為一固定值時，iD與uDS之間的關系，即

它描述的是當加在柵極和源極之間的電壓uGS>UGS（th）并保持不變時，漏極電流iD隨著漏源之間的電壓uDS變化的曲線，如圖3.8（b）所示。同結型場效應管一樣，輸出特性可分為4個區：可變電阻區、恒流區、擊穿區和截止區。

①可變電阻區：該區對應uGS>UGS（th），uDS很小，滿足uGD=uGS-uDS>UGS（th）。該區的特點是：若uGS不變，iD隨著uDS的增大而線性增加，可以看成是一個電阻，對應不同的uGS值，各條特性曲線直線部分的斜率不同，即阻值發生改變。因此，該區是一個受uGS控制的可變電阻區，工作在這個區的場效應管相當于一個壓控電阻。

②恒流區：亦稱飽和區、放大區。該區對應uGS>UGS（th），uDS較大，該區的特點是若uGS固定為某個值時，隨uDS的增大，iD不變，特性曲線近似為水平線，因此稱為恒流區。而對應同一個uDS值，不同的uGS值可感應出不同寬度的導電溝道，產生不同大小的漏極電流iD，也就是說在此區內，漏極電流iD只隨柵源之間的電壓uGS的增大而增大，曲線的間隔反映出uGS對iD的控制作用。

③擊穿區：當uDS增大到某一值時，漏極電流iD急劇增大，漏極和源極之間的PN結會被反向擊穿，使iD急劇增加。若不加限制，會造成場效應管損壞。

④截止區：輸出特性曲線靠近uDS軸的部分稱為截止區（也稱夾斷區），此時場效應管的導電溝道被夾斷，iD≈0。

2.N溝道耗盡型MOS管

N溝道耗盡型MOS管的結構與增強型一樣，所不同的是在制造過程中，在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子。當uGS=0時，由正離子產生的電場就能吸收足夠的電子產生原始溝道，如果加上正向uDS電壓，就可在原始溝道中產生電流。其結構、圖形符號如圖3.9所示。

當uGS正向增加時，將增強由絕緣層中正離子產生的電場，感應的溝道加寬，iD將增大，當uGS加反向電壓時，將削弱由絕緣層中正離子產生的電場，感應的溝道變窄，iD將減小，當uGS達到某一負電壓值UGS（off）時，完全抵消了由正離子產生的電場，導電溝道消失，使iD≈0，UGS（off）稱為夾斷電壓。

在uGS>UGS（off）后，漏源之間的電壓uDS對iD的影響較小。它的特性曲線形狀，與增強型MOS管類似，如圖3.10所示。

由以上可知，耗盡型MOS管在uGS=0時，導電溝道便已經形成，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管不論柵源電壓uGS是正、負或零值都能控制漏極電流iD，這是與增強型MOS管不同的一個重要特點。

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不同。P溝道MOS管是以N型硅作為襯底，而漏極和源極從P+區引出，形成的導電溝道為P型。對于耗盡型P溝道MOS管，在二氧化硅絕緣層中摻入的是負離子，在這里不再贅述。

3.2.3　場效應管的主要參數

1.直流參數

①開啟電壓UGS（th）（或UT）：UGS（th）是在uDS為一常量時，使iD大于零所需的最小uGS值。對于N溝道管子，UGS（th）為正值；對于P溝道管子，UGS（th）為負值。它是增強型MOS管的參數。

②夾斷電壓UGS（off）（或UP）：UGS（off）是在uDS為某一固定值時，使場效應管處于剛開始截止的柵源之間的電壓uGS。N溝道場效應管的UGS（off）為負值。它是結型場效應管和耗盡型MOS管的參數。

③飽和漏極電流IDSS：指在uGS=0情況下產生預夾斷時的漏極電流定義為IDSS。

④直流輸入電阻RGS：RGS是指在漏、源極間短路的條件下，柵源電壓uGS與柵極電流iG之比，即柵源之間的直流電阻。對于結型管uGS反偏，RGS大于107Ω；而對于絕緣柵場效應管，RGS大于109Ω。

⑤輸出電阻RDS：輸出電阻RDS是輸出特性某一點切線斜率的倒數。即

輸出電阻RDS說明了uDS對iD的影響。在飽和區（即恒流區），iD隨uDS改變很小，因此RDS的數值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間。

2.交流參數

①低頻跨導gm：指在uDS為某一固定的值時，漏極電流iD的微變化量和引起它變化的uGS微變化量的比值，即

gm數值的大小表示uGS對iD的控制能力，單位是西[門子]S，也常用mS，一般場效應管的跨導為零點幾到幾十毫西。

②極間電容：CGS為1～3pF；CDS為0.1～1pF。在高頻電路中應考慮極間電容的影響。

3.極限參數

①最大漏極電流IDM：IDM是場效應管正常工作時漏極電流的上限值。

②擊穿電壓：場效應管進入恒流區后，使iD驟然增大的uDS稱為漏源擊穿電壓U（BR）DS，uDS超過此值會使場效應管燒壞。表示柵源之間開始擊穿的電壓值稱為最大柵源電壓U（BR）GS。

③最大漏極耗散功率PDM：指PDM=uDSiD不能超過的極限值，耗散功率使場效應管發熱溫度升高，使用時不能超過這個值。

【例3.1】　已知某場效應管的輸出特性曲線如圖3.11所示。試分析該管是什么類型的場效應管（結型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、耗盡型）。

解：從iD的方向或uDS、uGS可知，該管為N溝道管；從輸出特性曲線可知開啟電壓UGS（th）=4V>0，說明該管為增強型MOS管，所以，該管為N溝道增強型MOS管。

3.2.4　各種場效應管特性的比較

表3.1總結列舉了6種類型場效應管在電路中的符號，偏置電壓的極性和特性曲線。讀者可以通過比較進行區別。