绝缘栅型场效应管的栅极与源极

绝缘栅型场效应管的栅极与源极，栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名，又因栅极为金属铝，故又称为金属-氧化物-半导体场效应管。它的栅-源间电阻可达1010Ω以上，因为它的温度稳定性好、集成化工艺简单，广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

MOS管有N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种，凡栅-源电压uGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅-源电压uGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。因此，MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管和P沟道耗尽型管。下面分别讨论它们的工作原理及特性。

1.N沟道增强型MOS管

N沟道增强型MOS管的结构、简图和代表符号分别如图3.1.1（a）、（b）和（c）所示。它以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，并在SiO2的表面及N+区的表面上分别安置三个铝电极—— 栅极g、源极s和漏极d，就成了N沟道增强型MOS管。

由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极，图3.1.1（c）是N沟道增强型MOSFET的代表符号，箭头方向表示P（衬底）指向N（沟道）。图中垂直短画线代表沟道，短画线表明在未加适当栅压之前漏极与源极之间无导电沟道。

图3.1.1　N沟道增强型MOS管结构及符号

（1）工作原理。

当栅-源之间不加电压时，漏源之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。

① 当uDS=0且uGS＞0时，由于SiO2的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如图3.1.2（a）所示。当uGS增大时，耗尽层增宽，衬底的自由电子被吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的，所以也称感生沟道，使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS（th）。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。这种在UGS=0时没有导电沟道，而必须依靠栅源电压的作用形成感生沟道的FET称为增强型FET。

② 当uGS是大于UGS（th）的某一个确定值时，讨论uDS对漏极电流iD的影响。

当uGS为0 V～UGS（th）中某一确定值时，若uDS=0 V，则虽然存在由uGS所确定的一定宽度的导电沟道，但由于漏-源间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流iD为零。

图3.1.2　uDS=0时uGS对导电沟道的影响

若uDS＞0 V，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽，即靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如图3.1.3（a）所示。

因为栅-漏电压uGD=uGS-uDS，所以当uDS从零逐渐增大时，uGD逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。但是，只要栅-漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍基本决定于栅-源电压uGS，因此，电流iD将随uDS的增大而线性增大，漏-源呈现电阻特性。而一旦uDS的增大使uGD等于UGS（th），则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区，如图3.1.3（b）所示，称uGD=UGS（th）为预夹断。

若uDS继续增大，则uGD＜UGS（th），耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，如图3.1.3（c）所示。这时，一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大（只能从夹断区的窄缝以较高速度通过），从而导致iD减小；另一方面，随着uDS的增大，使漏-源间的纵向电场增强，也必然导致iD增大。实际上，上述iD的两种变化趋势相抵消，uDS的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对iD形成的阻力。因此，从外部看，在uGD＜UGS（off）的情况下，当uDS增大时iD几乎不变，即iD大小几乎仅仅取决于uGS，这表现出了iD的恒流特性。

图3.1.3　uGS为大于UGS（th）的某一值时uDS对iD的影响

由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用β（=ΔiC/ΔiB）来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用gm来描述动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用，gm称为低频跨导。

由以上分析可知：

① 在uGS＞UGS（th）且uGD=uGS-uDS＞UGS（th）的情况下，即当栅-漏间未出现夹断时，对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。

② 当uGS＞UGS（th）且uGD=UGS（th）时，漏-源之间预夹断。

③ 当uGS＞UGS（th）且uGD＜UGS（th）时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时可以把iD近似看成uGS控制的电流源。

④ 当uGS＜UGS（th）时，管子截止，iD≈0。

（2）伏安特性曲线。

① 输出特性曲线。

输出特性曲线描述当栅-源电压uGS为常量时，漏极电流iD与漏-源电压uDS之间的函数关系，即

对应于一个uGS，就有一条曲线，因此输出特性曲线表现为一簇曲线，如图3.1.4所示。

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图3.1.4　N沟道增强型MOS管输出特性

根据输出特性曲线，可以将场效应管的工作状态分为三个区域：

（a）可变电阻区（也称非饱和区）：图中的虚线为预夹断轨迹，它是由各条曲线上使uDS=uGS-UGS（th）（即uGD=UGS（th））的点连接而成的。uGS越大，预夹断时的uDS值也越大。预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当uGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数即为漏-源间等效电阻。因而在此区域中，可以通过改变uGS的大小（即压控的方式）来改变漏-源等效电阻的阻值，也因此称之为可变电阻区。

（b）恒流区（也称饱和区）：图中预夹断轨迹的右边区域为恒流区。当uDS＞uGS-UGS（th）（即uGD＜UGS（th））时，各曲线近似为一簇横轴的平行线。当uGS增大时，iD仅略有增大。因而可将iD近似为电压uGS控制的电流源，故将该区域也称为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。

（c）夹断区（也称截止区）：当uGS≤UGS（th）时，导电沟道没有形成反型层，iD≈0，即图3.1.4中靠近横轴的部分，称为夹断区。一般将使iD等于某一个很小电流（如5 μA）时的uGS定义为夹断电压UGS（th）。

② 转移特性曲线。

FET是电压控制器件，由于栅极输入端基本上没有电流，故讨论它的输入特性是没有意义的。所谓转移特性是在漏源电压uDS一定的条件下，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制特性，即

由于输出特性与转移特性都是反映FET工作的同一物理过程，所以转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线，所以可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。在输出特性曲线的恒流区中作横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS、iD坐标系，连接各点所得曲线就是转移特性曲线。例如，在图3.1.4所示输出特性中，选取uDS=5 V的一条垂直线，此垂直线与各条输出特性曲线的交点分别为A、B、C、D。将上述各点相应的iD及uGS值画在iD-uGS的直角坐标系中，就可得到转移特性曲线，如图3.1.5所示。

图3.1.5　N沟道增强型的转移特性曲线（根据图3.1.4绘制）

根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可以得到饱和区中iD的近似表达式为

式中IDO是uGS=2UGS（th）时的iD。

当管子工作在可变电阻区时，对于不同的UDS转移特性曲线将有很大差别。

2.N沟道耗尽型MOS管

（1）工作原理。

如果在制造MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子，即使uGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源间加正向电压，就会产生漏极电流，如图3.1.6（a）所示。并且，uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大；反之，uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小。而当uGS从零减小到一定值时，反型层消失，漏-源之间导电沟道消失，iD=0。此时的uGS称为夹断电压UGS（off）。N沟道耗尽型MOS管的夹断电压为负值。N沟道耗尽型MOS可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流，这是耗尽型MOS的重要特点之一。

耗尽型MOS管的符号见图3.1.6（b）所示。注意与增强型符号的差别，表示沟道的不再是短画线。耗尽型MOS管在栅-源电压为零时，在正的uDS作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。

图3.1.6　N沟道耗尽型MOS管结构示意图及符号

（2）伏安特性曲线。

N沟道耗尽型MOS管的输出特性和转移特性曲线如图3.1.7（a）、（b）所示。

图3.1.7　N沟道耗尽型MOS管特性曲线

耗尽型MOS管的工作区域同样可以分为截止区、可变电阻区和饱和区。所不同的是N沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）为负值，而N沟道增强型MOS管的开启电压UGS（th）为正值。恒流区中iD的近似表达式为式中IDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。

3.P沟道MOS管

与N沟道MOS管相似，P沟道MOS管也有增强型和耗尽型两种。它们的电路符号如图3.1.8（a）、（b）所示，除了代表衬底的B的箭头方向向外，其他部分均与N沟通MOS管相同，此处不再赘述。

图3.1.8　P沟道MOS管电路符号

与N沟道MOS管相对应，P沟道增强型MOS管的开启电压UGS（th）＜0，当uGS＜ UGS（th）时管子才导通，漏-源之间应加负电源电压；P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS（off）＞0，uGS可在正负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间也应加负电压。