绝缘栅型场效应晶体管的类型和构造简介

1.绝缘栅型场效应晶体管的类型和构造

图6-84 转移特性曲线

绝缘栅型场效应晶体管同样也有N沟道和P沟道两种类型。N沟道和P沟道绝缘栅型场效应晶体管又有增强型和耗尽型之分，所以绝缘栅型场效应晶体管有4种类型，分别是：N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型和P沟道耗尽型。N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构示意图如图6-85a所示，图6-85b和图6-85c分别是增强型和耗尽型场效应晶体管的符号。

由图6-85a的结构示意图可见，以一块P型半导体为衬底，利用扩散工艺，在P型半导体上制作两个N型半导体区域，分别从N型半导体的区域引出两个电极作为源极s和漏极d，在衬底上面制作一层SiO₂绝缘层，再在SiO₂之上制作一层金属铝，从金属铝上引出的电极为栅极g，即构成绝缘栅型场效应晶体管。

图6-85 绝缘栅型场效应晶体管

这种类型的场效应晶体管因栅极与源极，栅极与漏极之间均采用SiO₂绝缘层隔离，所以称为绝缘栅型场效应晶体管，又称为MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管。

增强型和耗尽型场效应晶体管的主要差别在u_gs=0的情况下，导电沟道的状态上。当U_gs=0时，管子不存在导电沟道的为增强型，存在导电沟道的为耗尽型。

2.N沟道增强型场效应晶体管的工作原理

由图6-85a可见，当栅-源之间不加正向电压时，栅-源之间相当于两块背向的PN结，不存在导电沟道，此时若在漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。

当u_ds=0，且u_gs＞0时，由于SiO₂的存在，栅极电流为零。但在栅极的金属层上将聚集正电荷，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，形成如图6-86a所示的耗尽层。

当u_gs增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个如图6-86b所示的N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成场效应晶体管漏-源之间的导电沟道，因导电沟道是由反型层的自由电子所组成，所以称为N沟道场效应晶体管。因N型沟道场效应晶体管的衬底是P型半导体，所以N沟道场效应晶体管符号中的箭头是由衬底指向沟道，即从P型半导体的衬底指向N型沟道，如图6-85b和图6-85c所示。同理可得P型沟道场效应晶体管符号中的箭头是从沟道指向衬底，即与N沟道的指向相反。

图6-86 导电沟道的形成

在图6-85b中，描述导电沟道的中间线条是间断的，说明该管子在u_gs=0的情况下导电沟道不存在，要使管子产生导电沟道，必须在栅-源间外加一正向电压u_gs来增强对电子的吸引，以形成导电沟道，所以该场效应晶体管称为N沟道增强型场效应晶体管。

在图6-85c中，描述导电沟道的中间线条是连续的，说明该管子在u_gs=0的情况下导电沟道已经存在，与结型场效应晶体管一样，要使管子的导电沟道夹断，必须在栅-源间外加一反向电压u_gs将导电沟道内的电子推开，使导电沟道内的自由电子耗尽，所以该场效应晶体管称为N沟道耗尽型场效应晶体管。

使N沟道增强型场效应晶体管导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为增强型场效应晶体管的开启电压，用符号u_gs（th）来表示。u_gs越大，反型层越厚，导电沟道的电阻越小。

当u_gs大于u_gs（th）时，增强型场效应晶体管的导电沟道已形成，此时若在场效应晶体管的漏-源之间加正向电压u_ds，将产生一定的漏极电流i_d。漏极电流i_d随u_ds变化的情况与结型场效应晶体管相似。(www.xing528.com)

使N沟道耗尽型场效应晶体管导电沟道刚刚被夹断的栅-源电压称为耗尽型场效应晶体管的夹断电压，用符号U_gs（off）来表示。在u_gs＜U_gs（off）的情况下，若u_ds等于某一常量，对应于确定的u_gs，将有一个确定的漏极电流i_d。当u_gs变化时，漏极电流i_d也将随着发生变化，实现用u_gs控制漏极电流i_d的目的。

3.N沟道增强型场效应晶体管特性曲线和电流方程

与结型场效应晶体管一样，N沟道增强型场效应晶体管的特性曲线有转移特性曲线和输出特性曲线。转移特性曲线描述当漏-源电压u_ds为常量时，漏极电流i_d与栅-源电压u_gs之间的函数关系，即

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

由实验可得N沟道增强型场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性如图6-87a和图6-87b所示。由图6-87可见，N沟道增强型场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线与晶体管的输入特性曲线和输出特性曲线相似。说明N沟道增强型场效应晶体管与前面介绍的晶体管具有相同的外特性，它们之间的对应关系是：栅极和基极对应，源极和发射极对应，漏极和集电极对应。

图6-87 N沟道增强型场效应晶体管的特性曲线

由图6-87可见转移特性曲线上也有一个开启电压U_gs（th），输出特性曲线也是一个曲线族，曲线族中的每一条曲线分别对应一个确定的U_gs值。它也有可变电阻区、恒流区和夹断区这三个工作区。

与结型场效应晶体管相似，工作在恒流区的N沟道增强型场效应晶体管转移特性曲线的表达式为

式中，I_DO是u_gs=2U_gs（th）时的漏极电流i_d。

N沟道耗尽型场效应晶体管的电流方程与N沟道结型场效应晶体管的电流方程相同，即式（6-107）。N沟道耗尽型场效应晶体管的特性曲线与N沟道结型场效应晶体管的特性曲线基本相同。6种组态场效应晶体管的符号和特性曲线如表6-2所示。

表6-26 种组态场效应晶体管的符号和特性曲线

（续）