场效应晶体管应用解析

场效应晶体管又称场效应管，它与晶体管一样，具有放大能力。场效应晶体管有漏极（D）、栅极（G）和源极（S）。场效应晶体管的种类较多，下面以增强型绝缘栅场效应晶体管为例来介绍。

1.图形符号

增强型绝缘栅场效应晶体管简称增强型MOS管，它可分为N沟道MOS管和P沟道MOS管，其图形符号如图5-56所示。

图5-56 MOS管的图形符号

2.结构与原理

增强型MOS管有N沟道和P沟道之分，分别称为增强型NMOS管和增强型PMOS管，其结构与工作原理基本相似，在实际中增强型NMOS管更为常用。下面以增强型NMOS管为例来说明增强型MOS管的结构与工作原理。

（1）结构

增强型NMOS管的结构与等效图形符号如图5-57所示。

图5-57 增强型NMOS管

增强型NMOS管是以P型硅片作为基片（又称衬底），在基片上制作两个含很多杂质的N型材料，再在上面制作一层很薄的二氧化硅（SiO₂）绝缘层，在两个N型材料上引出两个铝电极，分别称为漏极（D）和源极（S），在两极中间的SiO₂绝缘层上制作一层铝制导电层，从该导电层上引出的电极称为G极。P型衬底与D极连接的N型半导体会形成二极管结构（称为寄生二极管）。由于P型衬底通常与S极连接在一起，所以增强型NMOS管又可用图5-57b所示的等效图形符号表示。(www.xing528.com)

（2）工作原理

增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有电压的增强型NMOS管如图5-58所示，图5-58a所示为结构图形式，图5-58b所示为电路图形式。

如图5-58a所示，电源E₁通过R₁接NMOS管D、S极，电源E₂通过开关S接NMOS管的G、S极。在开关S断开时，NMOS管的G极无电压，D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道，所以两个N区之间不能导通，I_D电流为0A；如果将开关S闭合，NMOS管的G极获得正电压，与G极连接的铝电极有正电荷，它产生的电场穿过SiO₂层，将P衬底的很多电子吸引靠近SiO₂层，从而在两个N区之间出现导电沟道，由于此时D、S极之间加上正向电压，就有I_D电流从D极流入，再经导电沟道从S极流出。

图5-58 加有电压的增强型NMOS管

如果改变E₂的大小，也即改变G、S极之间的电压U_GS，与G极相通的铝层产生的电场大小就会变化，SiO₂层下面的电子数量就会变化，两个N区之间的沟道宽度就会变化，流过的I_D电流大小就会变化。U_GS电压越高，沟道就会越宽，I_D电流就会越大。

由此可见，改变G、S极之间的电压U_GS，D、S极之间的内部沟道宽窄就会发生变化，从D极流向S极的I_D电流大小也就发生变化，并且I_D电流变化较U_GS电压变化大得多，这就是场效应管的放大原理（即电压控制电流变化原理）。为了表示场效应管的放大能力，引入一个参数——跨导g_m，可用下面的公式计算

g_m反映了G、S极电压U_GS对D极电流I_D的控制能力，是表述场效应晶体管放大能力的一个重要的参数（相当于晶体管的β），g_m的单位是西门子（S），也可以用A/V表示。

增强型MOS管具有的特点是：在G、S极之间未加电压（即U_GS=0V）时，D、S极之间没有沟道，I_D=0A；当G、S极之间加上合适的电压（大于开启电压U_T）时，D、S极之间有沟道形成，U_GS电压变化时，沟道宽窄会发生变化，I_D电流也会变化。

对于增强型NMOS管，G、S极之间应加正电压（即U_G>U_S，U_GS=U_G-U_S为正压），D、S极之间才会形成沟道；对于增强型PMOS管，G、S极之间须加负电压（即U_G<U_S，U_GS=U_G-U_S为负压），D、S极之间才有沟道形成。