深入了解绝缘栅型场效应管

知识拓展

三极管是利用输入电流控制输出电流的半导体器件，因而称为电流控制型器件。场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件，称为电压控制型器件。场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定小、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点，因而大大扩展了它的应用范围，特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛的应用。

场效应管按结构的不同可分为结型场效应管（J-FET）和绝缘栅场效应管（MOS-FET）。由于目前绝缘栅场效应管用得较多，在此主要介绍绝缘栅场效应管。

绝缘栅场效应管又称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管，它有N沟道和P沟道两类，且每一类又分为增强型和耗尽型两种。

1.N沟道增强型MOS管

1）结构

如图1.42（a）所示，它是用一块杂质浓度较低的P型硅片为衬底，其上扩散两个N+ 区分别作为源极（S）和漏极（D），其余部分表面覆盖一层很薄的SiO2作为绝缘层，并在漏源极间的绝缘层上制造一层金属铝作为栅极（G），就形成了N沟道MOS管。因为栅极和其他电极及硅片之间是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管。通常将源极和衬底连在一起，符号如图1.42（b）所示。图中箭头方向表示在衬底与沟道之间由P区指向N区。

2）工作原理

由图1.42（a）可见，N+ 型漏区和N+ 型源区间被P型衬底隔开，形成两个反向的PN结。故UGS=0时，不管漏源间所加电压UDS的极性如何，总有一个PN结反偏，故漏极电流ID≈0。

若栅极间加上一个正向电压UGS，如图1.43所示。在UGS作用下，将产生垂直于衬底表面的电场，因为SiO2很薄，即使UGS很小，也能产生很强的电场。P型衬底电子受电场吸引到达表层填补空穴，而使硅表面附近产生由负离子形成的耗尽层。若增大UGS时，则感应更多的电子到表层来，当UGS增大到一定值时，除填补空穴外还有剩余的电子形成一层N型层称为反型层，它是沟通漏区和源区的N+ 型导电沟道。UGS越正，导电沟道越宽。在UDS作用下就会有电流ID产生，管子导通。由于它是由栅极正电压UGS感应产生的，故又称其为感应沟道，且把在UDS作用下管子由不导通到导通的临界栅源电压UGS的值叫做开启电压UT。UGS达到UT后再增加，衬底表面感应的电子增多，导电沟道加宽，在同样的UDS作用下，ID增加。这就是UGS对ID的电压控制作用，是MOS管的基本工作原理。由于上述反型层是N沟道，故又称其为NMOS管。

图1.42　N沟道增强型MOS管结构及符号

（a）结构；（b）符号

图1.43　形成导电沟道

当管子加上UDS时，则在沟道中产生ID，由于ID在沟道中产生的压降使沟道呈楔状，见图1.44（a）。

当UDS增加到使UGD=UT时，沟道在漏端出现预夹断，见图1.44（b），之后再增加UDS，则夹断区加长，而ID近似不变。

图1.44　UDS对导电沟道的影响

（a）UGD＞UT；（b）UGD=UT

3）特性曲线

图1.45（a）、（b）分别为N沟道增强型MOS管的漏极特性曲线和转移特性曲线。转移特性反映了栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，故又称其为控制特性。

图1.45　N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和漏极特性曲线

（1）漏极特性曲线。

漏极特性曲线又称为输出特性曲线，它是指当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏极电压UDS之间的关系曲线，即

如图1.45（a）所示，不同的UGS对应不同的曲线。由图可知，场效应管工作情况可分为3个区域，即可变电阻区、线性放大区和夹断区。

③ 夹断区。在这个区域中（对应图中靠近横轴部分），当UGS＜UGS（off）时，场效应管导电沟道被夹断，ID=0，所以这个区域称为夹断区。

（2）转移特性曲线。

转移特性曲线又称为输入特性曲线，它反映漏源电压UDS一定时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系，即

由图1.45（b）可知，当UGS=0时，ID=IDSS最大，故IDSS称为饱和漏极电流。UGS越负，ID越小，当UGS=UGS（off）时，ID=0。

转移特性曲线与漏极特性曲线有严格的对应关系，可通过漏极特性曲线绘出。

2.N沟道耗尽型MOS管

如图1.46（a）所示，为N沟道耗尽型MOS管的结构和电路符号图。这种管子在制造过程中，在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。当UGS=0时，在正离子产生的电场作用下，衬底表面已经出现反型层，即漏源间存在导电沟道。只要加上UDS，就有ID产生。如果再加上正的UGS，则吸引到反型层中的电子增加，沟道加宽，ID加大；反之，UGS为负值时，外电场将抵消氧化膜中正电荷所产生的电场作用，使吸引到反型层中的电子数目减小，沟道变窄，ID减小。若UGS负到某一值时，可以完全抵消氧化膜中正电荷的影响，则反型层消失，管子截止，这时UGS的值称为夹断电压UGS（off）。

图1.46　N沟道耗尽型MOS管结构和符号

（a）结构；（b）符号

N沟道耗尽型MOS管的特性曲线如图1.47所示。

图1.47　N沟道耗尽型MOS管特性曲线(www.xing528.com)

（a）漏极特性曲线；（b）转移特性曲线

P型沟道场效应管工作时，电源极性与N型沟道场效应管相反。工作原理与N型管类似。为便于比较，现将P型场效应管的符号和特性曲线列于表1.4中。

表1.4　P型场效应管的符号和特性曲线

3.场效应管的主要参数

1）主要参数

（1）开启电压和夹断电压。

开启电压UT是指在UDS为某一固定数值的条件下，产生ID所需要的最小|UGS|值。这是增强型绝缘栅场效应管的参数。

夹断电压UGS（off）是指在UDS为某一固定数值的条件下，使ID等于某一微小电流时所对应的UGS值。这是耗尽型场效应管的参数。

（2）饱和漏极电流IDSS是在UGS=0的条件下，管子发生预夹断时的漏极电流。这也是耗尽型场效应管的参数。

（3）直流输入电阻RGS（DC）是栅源电压和栅极电流的比值。绝缘栅型管一般大于109 Ω。

（4）跨导gm是指当漏极与源极之间的电压UDS为某一固定值时，栅极输入电压每变化1 V引起漏极电流ID的变化量。它是衡量场效应管放大能力的重要参数（相当于三极管的β值），gm单位为西门子（S）。在转移特性曲线上，gm是曲线在某点的切线斜率。

gm的表达式为

或

（5）最大耗散功率PDM是决定管子温升的参数，PDM=UDSID。

2）注意事项

（1）在使用场效应管时，要注意漏源电压UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值。

（2）场效应管从结构上看漏源两极是对称的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能对换用。

（3）结型场效应管的栅源电压UGS不能加正向电压，因为它工作在反偏状态。通常各极在开路状态下保存。

（4）绝缘栅型场效应管的栅源两极绝不允许悬空，因为栅源两极如果有感应电荷，就很难泄放，电荷积累会使电压升高，而使栅极绝缘层击穿，造成管子损坏。因此要在栅源间绝对保持直流通路，保存时务必用金属导线将3个电极短接起来。在焊接时，烙铁外壳必须接电源地端，并在烙铁断开电源后再焊接栅极，以避免交流感应将栅极击穿，并按S、D、G极的顺序焊好之后，再去掉各极的金属短接线。

（5）注意各极电压的极性不能接错。