MOS场效应管的应用与优势

MOS场效应管从沟道类型上看，有N沟道和P沟道之分，从工作方式上又分为增强型（enhancement MOS或EMOS）和耗尽型（depletion MOS或DMOS）两类。

1.N沟道MOSFET

1）N沟道增强型MOSFET

图2-21（a）为N沟道增强型MOSFET的结构示意图。用P型半导体材料作为衬底，在上面扩散两个高掺杂的N＋区，分别称为源区和漏区，从源区和漏区分别引出的电极称为源极（用S表示）和漏极（用D表示）。源区和漏区与P型衬底之间形成PN结。衬底表面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，并在两个N＋区之间的绝缘层上覆盖一层金属，其上引出的电极称为栅极（用G表示）。另外，还将衬底通过P引线区引出电极称为衬底极（用U表示）或背栅极（用B表示）。图2-21（b）是N沟道增强型MOSFET的电路符号，图中衬底极的箭头方向是PN结加正偏时的正向电流方向，说明衬底相连的是P区，沟道是N型的；电路符号图中漏极D到源极S之间用虚线，表示初始时没有导电沟道，属于增强型。

图2-21　N沟道增强型MOSFET结构和符号图

（1）工作原理。

由图2-21（a）可见，漏区（N＋型）、衬底（P型）和源区（N＋型）之间形成两个背靠背的PN结，当G、S之间无外加电压时（即uGS＝0时），无论在D、S之间加何种极性的电压，总有一个PN结是反偏的，D、S之间无电流流过。

若给G、S之间加上正电压uGS，且源极S与衬底B相连时，栅极下的SiO2绝缘层中将产生一个垂直于半导体表面的电场，其方向由栅极指向P型衬底。该电场是排斥空穴而吸引电子的。当uGS足够大时，该电场可吸引足够多的电子，使栅极附近的P型衬底表面形成一个N型薄层。由于它是在P型衬底上形成的N型层，故称为反型层。这个N型反型层将两个N＋区连通，这时在D、S之间加上正向电压，电子就会沿着反型层由源极向漏极运动，形成漏极电流iD，故N型反型层构成了D、S之间N型导电沟道。

将开始形成反型层所需的栅源电压称为开启电压，通常用uGS（th）表示，其值由管子的工艺参数确定，由于这种场效应管无原始导电沟道，只有当栅源电压大于开启电压uGS（th）时，才能产生导电沟道，故称为增强型MOS管。产生导电沟道以后，若继续增大uGS值，则导电沟道加厚，沟道电阻减小，漏极电流iD增大。

综上可见，场效应管具有压控电流作用，通过控制输入电压uGS，可以控制输出电流iD的有无，也可以控制其大小。

（2）转移特性曲线。

转移特性描述uDS为某一常数时，iD与uGS之间的函数关系，它反映的是输入电压uGS对输出电流iD的控制作用，如表2-3所示。在uGS≪UGS（th）时，因为无导电沟道，因此iD＝0；当uGS＞UGS（th）时，产生反型层导电沟道，因此iD≠0；增大uGS，则导电沟道变厚，iD增大。

（3）输出特性曲线。

输出特性描述uGS为某一常数时，iD与uDS之间的函数关系，如表2-3所示。根据工作特点不同，输出特性可分为三个工作区域，即截止区、放大区和可变电阻区。(www.xing528.com)

①截止区：指uGS＜UGS（th）的区域，这时因为无导电沟道，所以iD＝0，管子截止。

②放大区：iD仅受uGS控制而与uDS无关。iD不随uDS而变化的现象在场效应管中称为饱和，这一区域内，场效应管D、S间相当于一个受电压uGS控制的电流源，故又称为恒流区，也称为放大区。

③可变电阻区（也称非饱和区）：当uGS—定时，iD与uDS呈线性关系，D、S间等效为电阻；改变uGS可改变直线的斜率，也就控制了电阻值，因此D、S间可等效为一个受电压uGS控制的可变电阻，所以称为可变电阻区。

2）N沟道耗尽型MOSFET

耗尽型NMOS管简称为NDMOS管（DMOS即depletion MOS），其结构与增强型NMOS管基本相同，但在制造耗尽型MOS管时，通常在二氧化硅（SiO2）绝缘层中掺入大量的正离子，由于正离子的作用，使漏源间的P型衬底表面在uGS＝0时已感应出N反型层，形成导电沟道，如图2-22（a）所示，耗尽型NMOS管的图形符号如图2-22（b）所示。

图2-22　N沟道耗尽型MOSFET结构和符号图

耗尽型NMOS管的工作原理也与增强型的相似，具有压控电流作用。由于存在原始导电沟道，则在uDS＝0时就有电流iD流通；当uGS由零值向正值增大时，反型层导电沟道增厚，iD增大；反之，当uGS由零值向负值增大时，反型层导电沟道变薄，iD减小。当uGS负向增大到某一数值时，反型层会消失，称为沟道全夹断，这时iD＝0，管子截止。使反型层消失所需的栅源电压称为夹断电压，用UGS（off）表示。耗尽型NMOS管特性曲线见如图2-3所示。

2.P沟道MOSFET

P沟道MOS管简称为PMOS管，其结构、工作原理与NMOS管相似，PMOS管以N型半导体硅为衬底，两个P＋区分别作为源极和漏极，导电沟道为P型反型层。使用时，uGS、uDS的极性与NMOS管的相反，漏极电流iD的方向也相反，即由源极流向漏极。

PMOS管也有增强型和耗尽型两种，其图形符号和相应的特性曲线如表2-2、表2-3所示。

表2-2　各类场效应管对比

表2-3　P沟道与N沟道场效应管对比