3.1　绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管是由金属、氧化物和半导体制成，故又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET），简称MOS管，按它的制造工艺和性能可分为增强型与耗尽型两类，每类又可分为N沟道和P沟道两种。所谓增强型是uGS=0时，漏极与源极之间没有导电沟道，即使在漏极与源极之间加有电压，也没有漏极电流；而耗尽型是uGS=0时，漏极与源极之间已经有了导电沟道。下面分别讨论这两种管子的工作原理、特性及主要参数。

3.1.1　N沟道增强型MOS管

1.结构和符号

图3.1（a）所示为N沟道增强型MOSFET（简称增强型NMOS管）的结构示意图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在P型硅中形成两个高掺杂的N+区，并用金属铝引出两个电极，作为源极S和漏极D；然后在硅片表面覆盖一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在漏源极之间的绝缘层上再制造一层金属铝作为栅极G，另外在衬底引出衬底引线B（它通常在管内与源极S相连接）。显见，MOSFET的栅极与源极、漏极均绝缘无电接触，故称绝缘栅极。其栅极、源极和漏极，分别相当于BJT的基极、发射极和集电极。

图3.1（b）、（c）所示为N、P沟道增强型MOS管电路符号，漏极与源极间的三段短线，表示管子的原始导电沟道不存在，为增强型；垂直于沟道的箭头表示导电沟道的类型，箭头由P区指向N区，所以N沟道的箭头向里，而P沟道的箭头向外。

2.工作原理

由图3.1（a）可见，NMOS管的两个N区被P型衬底隔开，成为两个背靠背的PN结（又称耗尽层），当栅源电压uGS=0时，不论漏源电压uDS为何极性，总有一个PN结是反向偏置的，因此，漏极和源极之间不可能有电流通过，漏极电流iD=0。

当栅极和源极之间加上足够大的正向偏压uGS后，便在栅极下面的二氧化硅绝缘层中产生一个由栅极指向P型衬底的电场，在电场效应作用下，排斥栅极下面的P型衬底中的空穴（多子），将电子（少子）吸引到衬底表面，形成一个N型薄层。N型薄层的导电类型与P型衬底相反，故称为反型层，将两个N+区连通，形成了N型导电沟道，这时若在漏极D和源极S之间加上正向电压uDS，就会有漏极电流iD产生，如图3.2（a）所示。开始形成导电沟道的uGS，记作UGS（th），称为开启电压。随着uGS的增加，必将有更多的电子吸引到衬底表面，导电沟道增宽，沟道电阻减小。因此在同样的uDS下，uGS越大，iD越大，从而实现栅源电压uGS对漏极电流iD的控制。当uGS≥UGS（th），uDS>0时，有电流iD流过导电沟道，并因iD在沟道各部位产生电压降，使沟道的截面积从左到右逐步变小，且当uGS-uDS=UGS（th）时，在沟道最右端的靠近漏极处产生预夹断，如图3.2（b）所示。而且，当uGS-uDS<UGS（th）时，预夹断区往左延伸，管子工作于恒流区。

归纳

NMOS管是一个受栅源电压uGS控制的器件。当uGS<UGS（th）时，漏源之间不导通；只有当uGS>UGS（th）时，MOS管才会导通。由于在结构上漏极和源极是对称的，所以D、S可互换使用。

3.转移特性曲线

由于场效应管的输入电流近于零，故不讨论输入特性。转移特性是指uDS保持不变，iD与uGS的函数关系，即

　　（3.1）

转移特性曲线如图3.3（a）所示。图中uDS=10V不变，当uGS<UGS（th）时，因没有导电沟道，iD=0；当uGS>UGS（th）时（=2V）形成导电沟道，产生漏极电流iD；uGS增大，iD跟随增大。

4.输出特性

输出特性是指uGS保持不变，iD与uDS的函数关系，即

　　（3.2）

输出特性曲线如图3.3（b）所示，它可分为4个区域。

（1）可变电阻区

如图3.3（b）中Ⅰ区所示，在图3.2（a）结构中可知，若固定uGS（=5V）>UGS（th），在栅、源极处有较大导电沟道，而在栅、漏极之间电压为uGD=uGS-uDS（=5V-uDS），当uDS由0V逐渐增大，必使uGD逐渐减小（<uGS=5V），使漏极处沟道变狭成楔形状。然而这时iD随uDS成线性增加，输出特性按线性上升，如图中所示。这样D、S极间等效为一个线性电阻，而阻值大小与所固定的uGS值有关。当uGS越小，iD随uDS增长越慢，等效电阻越大。

归纳

场效应管D、S极间相当于一个受uGS电压控制的可变电阻，称为可变电阻区。

（2）恒流区（放大区）

当uDS增加到使uGD=UGS（th）（即uDS=uGS-UGS（th））时，在漏极附近的反型层首先消失，即导电沟道在漏极附近被夹断；随着uDS的增加，使uGD<UGS（th），夹断区长度朝源极方向延伸，在达到uGD=UGS（th）后，uDS电压再增加部分主要降落在夹断区上，而iD不再随uDS增加而趋于饱和，如图3.3（b）中的Ⅱ区所示，该区域称为输出特性的恒流区（或称饱和区）。

归纳

在恒流区，漏极电流iD由栅源电压uGS控制，而与uDS基本无关，场效应管的D、S极间相当于一个受电压uGS控制的电流源。恒流区也称为放大区。

（3）击穿区

若uD不断增大，PN结因承受过大的反向电压而击穿，使iD急剧增大，如图3.3（b）中的Ⅲ区所示，该区域称为输出特性的击穿区。

（4）截止区

当uGS<UGS（th）时，没有导电沟道，使iD=0。这时称为全夹断，该区域称为输出特性的截止区，为图3.3（b）中靠近横轴的区域（基本上与横轴重合）。

在放大区内，只要uGS>UGS（th），增强型NMOS管的iD近似表达式为

　　（3.3）

式中，IDO是uGS=2UGS（th）时对应的iD值；UGS（th）为开启电压。

3.1.2　N沟道耗尽型MOS管

耗尽型NMOS管的结构示意图和电路符号如图3.4所示。

它的结构和增强型基本相同，主要区别是：这类管子在制造时，已在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，所以在uGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏、源极间的P型衬底表面已经出现了反型层（即N型导电沟道），只要加上正向电压uDS，就有iD产生。如果加上了正的uGS，则加强了绝缘层中的电场，将吸引更多的电子至衬底表面，使沟道加宽，iD增大。反之，uGS为负时，则削弱了绝缘层中的电场，使沟道变窄，iD减小。当uGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD≈0，管子截止，所对应的uGS称为夹断电压UGS（off）。由以上分析可知，这类管子在uGS=0时，导电沟道便已形成。当uGS由零减小到UGS（off）时，沟道逐渐变窄而夹断，故称为“耗尽型”。耗尽型MOS管在uGS<0、uGS=0和uGS>0的情况下都可以工作，这是它的一个重要特点。

耗尽型NMOS管的转移特性曲线和输出特性曲线如图3.5所示。

它在放大区内的电流iD近似表达式为

　　（3.4）

式中，IDSS为uGS=0时对应的iD值（称为零偏漏极电流）；UGS（off）为夹断电压。

3.1.3　P沟道MOS管简介

P沟道MOS管和N沟道MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型，PMOS管是以N型硅作为衬底，而漏极和源极从P+区引出，形成的反型层为P型，相应沟道为P型沟道。对于耗尽型PMOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子。

P沟道MOS管使用时，uGS、uDS的极性与NMOS管相反。增强型PMOS管的开启电压UGS（th）是负值，耗尽型的P沟道场效应管的夹断电压UGS（off）是正值。P沟道MOS管其转移特性曲线和输出特性曲线形状与N沟道MOS管相似，只是电压极性不同。

增强型PMOS管的电路符号和耗尽型PMOS管的电路符号，已示于图3.1（c）和图3.4（c）中。

提示

由于绝缘栅型场效应管的输入电阻极高，一般大于109Ω，大的可以达到1015Ω，栅极感应到的电荷难以泄放，使绝缘层内的电场强度很高，场效应管即使有较高的U（BR）GS，仍会击穿二氧化硅绝缘层，使管子损坏。所以目前生产MOS管时，常制有过压保护电路。

思考题

1.为什么说场效应管属于单极型器件？

2.指出MOSFET的两种类型。

3.如果一个耗尽型MOSFET的栅极到源极的电压为零，则从漏极到源极的电流为多少？