(04730)半导体器件之场效应三极管

晶体三极管用很小的基极电流iB控制较大的集电极电流iC,作为放大元件使用时，三极管需一定的输入电流，故称为电流控制电流的元件。

场效应三极管则用一定的输入电压控制较大的输出电流，作为放大元件使用时，场效应三极管只需一定的输人电压，不需输人电流，故称为电压控制电流元件。

场效应三极管具有输入电阻高（最高可达1015Ω）、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等特点，且耗能少、制作工艺简便、宜于集成等优点，因而得到了广泛的应用。按结构的不同，场效应管可分为结型和绝缘栅型两大类；按导电沟道的不同，分为P沟道和N沟道；按导电沟道形成的不同，又分为增强型和耗尽型两种。本节仅介绍绝缘栅N沟道增强型场效应三极管。

绝缘栅N沟道增强型场效应三极管的结构与工作原理

(1)结构

图2.1.22为绝缘栅N沟道增强型场效应管的结构，它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，采用扩散的方法在P型硅片中生成两个高掺杂的N区，然后在P型硅的表面覆盖一层很薄的SiO2绝缘层，并在其上及两个N区表面分别接出三个电极。一个电极称为栅极G,两个N区接出的电极分别称为源极S和漏极D。由于栅极和其他电极、硅片之间为绝缘的，所以称绝缘栅型场效应管，简称MOS管。外加电源在工作时漏极D和源极S之间以电子形成导电沟道，称为N沟道。随着栅极电压的升高，沟道中的电子会逐渐加强，连通D、S两极，称为增强型MOS管；如果在SiO2绝缘层中预先掺入一些正离子，在SiO2绝缘层附近会产生大量的感应负电荷，预先形成D、S之间的导电沟道，工作时，在栅极电压的作用下，导电沟道慢慢会消失，这种则为耗尽型MOS管。

图2.1.23为增强型场效应管的电路符号。

(2)原理和特性

①工作原理

运行时，N沟道增强型场效应管的栅源电压uGS和漏源电压uDS均为正向电压。如图2.1.24所示。

当uGS等于零时，D、S之间不存在导通沟道，两个PN结均为反向偏置，漏极电流iD=0。

当uGS增大但较小时，在栅极电压uGS的作用下，SiO2层中会产生指向P型衬底的且垂直衬底的正电场，这个电场吸引P型衬底层中的少数载流子自由电子，同时排斥多数载流子空穴。由于uGS较小，吸引自由电子的数量不多，D、S之间无导电沟道，漏极电流iD=0。

随着uGS的继续加大，则吸引到SiO2层下面的自由电子增多，将D、S连通，使D、S之间出现N型导电沟道，形成反型层。在漏极电压的作用下，产生漏极电流iD。

我们将开始形成导电沟道时的栅源电压称为开启电压Ucs（th）,它约为几伏，随着uGS的增大，沟道变宽，沟道电阻变小，漏极电流增大。

②特性曲线

图2.1.25为N沟道增强型绝缘栅型场效应管的伏安特性。

图2.1.25（a)为当场效应管在uDS为定值时，漏极电流iD与栅、源电压uGS之间的关系曲线称为N沟道场效应管的转移特性曲线。

图2.1.25(b)为当场效应管在uGS为定值时，漏极电流iD与漏、源电压uDS之间的关系曲线称为N沟道场效应管的输出特性曲线。

N沟道增强型MOS管的输出特性可分为可变电阻区、截止区、放大区（恒流区）和击穿区共四个区域。

在放大区（恒流区)内，N沟道增强型MOS管的iD可近似地表示为

上式中，IDO是uGS=2UGS(th)时的iD值，UGS(th)为开启电压。

场效应管还有其他类型，这里不作详细介绍。

场效应三极管的主要参数

(1)开启电压UGS(th)和夹断电压UGS(off)

UDS为定值时，由沟道将D、S极连接起来所需的最小UGS值对于增强型MOS管称为开启电压UGS(th),对于耗尽型MOS管称为夹断电压UGS(off)。

(2)饱和漏极电流IDSS

IDSS为耗尽型管子的参数，是指耗尽型MOS管工作在uGS=0情况下，管子产生预夹断时的漏极电流值。

(3)低频跨导gm

定义为当uDS为定值时，漏极电流iD的变化量△iD和引起它变化的uGS变化量△uGS之比，即

gm反映了uGS对iD的控制能力，它是表示场效应管放大能力的重要参数，单位为西门子(S)。gm值与管子的工作点有关。

(4)最大漏极电流IDM

它为场效应管在工作时允许的最大漏极电流，正常工作时不允许超过此值。

(5)漏源击穿电压U(BR)DS

漏源极间所能承受的最大电压，即UDS增大到使iD开始急剧上升，使得管子击穿的UDS值。

(6)最大耗散功率Pm

PD=IDUDS<PDM,其值受管子的最高工作温度限制。

场效应管与晶体三极管的性能比较

(1)场效应管为电压控制电流的器件，其输人阻抗高(>107Ω)；晶体三极管为电流控制电流的器件，其输入阻抗小（约1KΩ左右)，但都可获得较大的电压放大倍数。

(2)场效应管工作电压范围宽，热稳定性较好；晶体三极管工作电压范围小，热稳定性较差。

(3)场效应管制造工艺简单，价钱便宜，广泛用于制造大规模集成电路。

(4)场效应管不用时，各电极应短接在一起，防止外界静电感应产生高压使其损坏。