场效应管的工作原理解析

以N沟道增强型MOS管为例，由图1.25 （a）可以看出，MOS管的源极和衬底是接在一起的（大多数管子在出厂前已连接好），增强型MOS管的源区 （N+）、衬底 （P型）和漏区（N+）三者之间形成了两个背靠背的PN+结，漏区和源区被P型衬底隔开。当栅—源极之间的电压UGS=0时，不管漏源极之间的电源UDS极性如何，总有一个PN+结反向偏置，此时反向电阻很高，不能形成导电沟道；若栅极悬空，即使在漏极和源极之间加上电压UDS，也不会产生漏极电流ID，MOS管处于截止状态。

1.导电沟道的形成

如果在栅极和源极之间加正向电压UGS，情况就会发生变化，如图1.25 （b）所示。栅源间电压UGS≠0时，栅极铝层和P型硅片衬底间相当于以二氧化硅层 （SiO2）为介质的平板电容器。由于UGS的作用，在介质中产生一个垂直于半导体表面、由栅极指向P型衬底的电场。因为SiO2绝缘层很薄，即使UGS很小，也能让该电场有高达105～106V/cm数量级的强度。这个强电场排斥空穴吸引电子，把靠近SiO2绝缘层一侧的P型硅衬底中的空穴排斥开，留下不能移动的负离子形成耗尽层。若UGS继续增大，耗尽层将随之加宽，同时P型衬底中的电子受到电场力的吸引向上运动到达表层，除填补空穴形成负离子的耗尽层外，还在P型硅表面形成一个N型薄层，称为反型层。反型层将两个N+区连通，成为连接漏极和源极之间的N型导电沟道。我们把能够形成导电沟道的栅源电压UGS称为开启电压，用UT表示。

很明显，在0＜UGS＜UT的范围内，漏—源极之间的N沟道尚未连通，管子处截止状态，漏极电流ID=0；当UGS≥UT时，导电沟道形成，并且随着UGS的增加导电沟道也不断加厚，相应沟道电阻不断减小，ID电流随之增大。

由上述分析可知，场效应管导电沟道形成后，只有一种载流子参与导电，因此称为单极型三极管。单极型三极管——MOS管中参与导电的载流子是多数载流子，由于多数载流子不受温度变化的影响，因此，单极型三极管的热稳定性要比双极型三极管好得多。

2.漏源间电压UDS和栅源间电压UGS对漏极电流ID的影响(www.xing528.com)

当UGS＞UT且为某一定值时，如果在漏极和源极之间加上正向电压UDS，就会产生三极管输出电流ID，如图1.25 （b）所示。场效应管的输出电流ID受UDS和UGS二者的影响，若使UGD=UGS-UDS＜UT时，漏极电流ID几乎不变，同样表现出恒流特性。

图1.25　N沟道增强型MOS管导电沟道的形成

（a）UGS＜UT时无导电沟道；（b）UGS＞UT时导电沟道形成

我们把UDS＞UGS-UT后，ID基本上保持恒定的工作区域称为线性放大恒流区。恒流区的漏极电流ID主要受栅源电压UGS的控制，场效应管用做放大作用时，就工作在此区域。在线性放大区，场效应管的输出大电流ID受输入小电压UGS的控制，因此常把MOS管称为电压控制器件。

如果在制造中将衬底改为N型半导体，漏区和源区改为高掺杂的P+型半导体，即可构成P沟道MOS管，P沟道MOS管也有增强型和耗尽层之分，其工作原理的分析步骤与上述分析类同。