绝缘栅型场效应晶体管的应用优势

结型场效应晶体管的输入电阻是P⁺N结的反向电阻，可达10⁷Ω以上。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO₂绝缘层隔离，因此其输入电阻很高，可达10⁹～10¹⁵Ω。又因它是由金属（M）作电极、氧化物（O）作绝缘层和半导体（S）组成的金属—氧化物———半导体场效应晶体管，因此简称MOS管。绝缘栅场效应晶体管制作工艺简单、温度稳定性好，广泛用于大规模和超大规模集成电路之中。

从导电沟道来分，绝缘栅场效应晶体管也有N沟道和P沟道两种类型。无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型和耗尽型两种。若u_GS=0时漏—源之间已经存在导电沟道，称为耗尽型场效应晶体管；如果当u_GS=0时不存在导电沟道，则称之为增强型场效应晶体管。

1.N沟道增强型场效应晶体管的结构及原理

图3-7a是N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的结构示意图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其表面上覆盖一层二氧化硅（SiO₂）绝缘层，再在二氧化硅层上刻出两个窗口，通过扩散形成两个高掺杂的N⁺区，分别引出源极S和漏极D，然后在源极和漏极之间的二氧化硅上面引出栅极G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬底也引出一根引线，用B表示，通常情况下将它与源极在场效应晶体管内部连接在一起。图3-7b和图3-7c所示为N沟道和P沟道两种增强型场效应晶体管的电路符号。

图3-7 N沟道增强型MOS场效应晶体管结构示意图及增强型MOS的符号

a）结构示意图 b）N沟道电路符号 c）P沟道电路符号

以N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管为例讨论其工作原理。当栅—源极之间的电压u_GS=0时，漏—源极之间是两只背靠背的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏—源极之间的电压u_DS＞0，也不会有漏极电流，即i_D=0。

当u_DS=0且u_GS＞0时，在u_GS的作用下，在栅极与衬底之间产生了垂直于衬底表面、栅极G指向P型衬底的电场。由于二氧化硅绝缘层很薄，因此即使u_GS很小，也能产生很强的电场强度。这个电场排斥靠近二氧化硅层的P型衬底中的空穴，同时吸引P型衬底中的电子向二氧化硅层方向运动。当u_GS比较小时，吸引电子的电场不强，只形成耗尽层，在漏—源极之间尚无导电沟道出现，此时漏极电流i_D=0。当u_GS增大到一定程度时，就会吸引更多的电子到栅极二氧化硅层下面，在栅极附近的P型衬底表面形成一个自由电子薄层，由于它的导电类型与P型衬底相反，故称为反型层。这个反型层就构成了漏—源极之间的导电沟道。使导电沟道刚刚形成的栅—源极电压称为开启电压U_GS（th）。u_GS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

图3-8 u_DS=0且u_GS＞0时对导电沟道的影响

当u_GS＞U_GS（th）时，漏—源极之间形成一个导电沟道。这时若漏—源极之间的电压u_DS＞0，就会有漏极电流i_D产生。u_GS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，在相同u_DS作用下所产生的i_D就越大。故通过控制u_GS的大小，就可以控制导电沟道电阻的大小，从而控制漏极电流i_D的大小。

导电沟道形成后，当u_DS=0时，管内沟道是等宽的。随着u_DS的增加，漏极电流i_D沿沟道从漏极流向源极产生电压降，使栅极与沟道内各点的电压不再相等，靠近源极一端电压最大，其值为u_GS，靠近漏极一端电压最小，其值为u_GD，于是沟道沿源极到漏极方向逐渐变窄，如图3-9a所示。当u_DS增大到u_GD=U_GS（th）时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如图3-9b所示。如果u_DS继续增大，夹断区随之延长，如图3-9c所示。

图3-9 u_GS大于U_GS（th）时u_DS对导电沟道的影响

a）u_DS＜u_GS-U_GS（th） b）u_DS=u_GS-U_GS（th） c）u_DS＞u_GS-U_GS（th）

2.N沟道耗尽型场效应晶体管的结构及原理

N沟道耗尽型MOS管结构示意图及电路符号如图3-10所示。耗尽型的MOS场效应晶体管在制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入了大量的正离子，因此，即使栅极不加电压，在正离子作用下P型衬底表面也存在反型层，从而产生N型导电沟道。当u_GS由零向正值增大时，则加强了绝缘层中的电场，使沟道加宽，i_D增大；反之，u_GS由零向负值增大时，则削弱了绝缘层中的电场，使沟道变窄，i_D减小。当u_GS负向增加到U_GS（off）时，导电沟道消失，i_D=0。

图3-10 N沟道耗尽型MOS管结构示意图及电路符号

a）N沟道耗尽型场效应晶体管结构示意图 b）耗尽型N沟道管 c）耗尽型P沟道管(www.xing528.com)

3.绝缘栅场效应晶体管的特性曲线

N沟道增强型场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线，如图3-11所示。

1）输出特性曲线MOS管的输出特性是指当栅—源极电压u_GS为某一定值时，漏极电流i_D与漏—源极电压u_DS之间的关系见式（3-1）。与结型场效应晶体管类似，N沟道增强型场效应晶体管的输出特性曲线也有四个区域：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

在可变电阻区，栅—源极电压u_GS＞U_GS（th）。图3-11a中的预夹断轨迹满足u_DS=u_GS-U_GS（th），可变电阻区位于预夹断轨迹左边的区域，则u_DS＜u_GS-U_GS（th），即u_GD=u_GS-u_DS＞U_GS（th）。漏—源极电压u_DS的值比较小，当u_GS为一定值时，i_D与u_DS成线性关系，根据不同的u_GS值可得到一组近似直线。在此区域，MOS管漏—源极之间相当于一个受电压u_GS控制的可变电阻。

在恒流区，栅—源极电压u_GS≥U_GS（th）。恒流区位于击穿区左边和预夹断轨迹右边的区域，则u_DS≥u_GS–U_GS（th），即u_GD=u_GS–u_DS≤U_GS（th）。当u_GS为一定值时，u_DS变化时i_D几乎不变，呈恒流特性，i_D仅与u_GS有关系。在此区域，MOS管漏—源极之间一个受电压u_GS控制的电流源。MOS管用于放大电路时，一般就工作在恒流区。

在夹断区，栅—源极电压u_GS＜U_GS（th）。该区域为图3-11a中靠近横轴的区域，导电沟道被全部夹断，漏极电流i_D=0，MOS管截止。

击穿区位于图3-11a中右边的区域。由于u_DS过大导致PN结反向击穿，漏极电流i_D急剧增加。不允许MOS管工作在击穿区。

2）转移特性曲线N沟道增强型场效应晶体管转移特性曲线位于坐标轴右侧，说明当u_GS≤0时，即使施加电压u_DS，也没有漏极电流i_D通过，只有当u_GS≥U_GS（th）时，i_D才随着u_GS的增加急剧上升。如图3-11b所示，当漏极电流i_D为零时所对应的栅—源极电压U_GS就是开启电压U_GS（th）。

当N沟道增强型MOS管工作在恒流区时，其转移特性可近似表示如下：

式（3-4）中，I_DO是u_GS=2U_GS（th）时的漏极电流i_D值。

图3-11 N沟道增强型场效应晶体管的特性曲线

a）输出特性 b）转移特性

N沟道耗尽型场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线，如图3-12所示。

图3-12 N沟道耗尽型场效应晶体管的特性曲线

a）输出特性 b）转移特性

从图中可以看出，N沟道耗尽型场效应晶体管不论栅—源极电压u_GS是正、负还是零，都能控制漏极电流i_D，因此使用起来非常灵活。