绝缘栅场效应晶体管

结型场效应晶体管的输入电阻虽然高达108～109Ω，但在许多场合下还要求进一步提高。经过实践，人们在1962年制造出一种栅极处于绝缘状态的场效应晶体管，称为绝缘栅场效应晶体管，输入电阻为1015Ω。目前应用最广泛的是一种是以二氧化硅为绝缘层的场效应晶体管。这种管子称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FET简称MOSFET或MOS管）。绝缘栅型场效应晶体管可分为增强型和耗尽型两类。

1.N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管

N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管是以一块杂质浓度较低的P型半导体作衬底，在它上面扩散两个高浓度的N型区，各自引出一个为源极S和漏极D，在漏极和源极之间有一层绝缘层（SiO₂），在绝缘层上覆盖金属铝做为栅极G，P型半导体称为衬极，用符号B表示，其结构和符号如图7-33所示。

图7-33 增强型绝缘栅场效应晶体管的结构与符号

a）N沟道增强型 b）P沟道增强型

如图7-34所示，当U_GS=0，在DS间加上电压U_DS时，漏极D和衬极之间的PN结处于反向偏置状态，不存在导电沟道，故DS之间的电流I_D=0。

当U_GS逐渐加大达到某一值（开启电压U_T）时，由于电场的作用，栅极G与衬极之间将形成一个N型薄层，其导电类型与P型衬极相反，称为反型层。由于这个反型层的存在，使得DS之间存在一个导电沟道，I_D开始出现，而且沟道的宽度随U_GS的继续增大而增大，所以称为增强型场效应晶体管。它的特点是：当U_GS=0，I_D=0；U_GS>U_T，I_D>0。

可见增强型绝缘栅场效应晶体管的漏极电流I_D是受栅极电压U_GS控制的，它与结型场效应晶体管一样，是电压控制型器件，所不同的是它必须在U_GS为正且大于U_T时才能工作。

2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管

N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管与增强型相同，只是在SiO₂绝缘层中掺有大量的正离子，管子在U_GS=0时就能在P型衬极上感应出一个N型反型层沟道，只要在DS间加上电压U_DS，就有漏极电流I_D产生。如果U_GS>0则沟道加宽，I_D随之增大，反之如果U_GS<0则沟道变窄，I_D随之减小，这体现了栅极电压U_GS对漏极电流I_D的控制作用；如果U_GS负到一定数值则沟道彻底消失，I_D=0，所以称为耗尽型场效应晶体管，它在U_GS为正或负时都可以工作，图7-35所示的是N沟道和P沟道两种耗尽型绝缘栅场效应晶体管的结构与符号。

图7-34 增强型绝缘栅场效应晶体管的工作原理

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图7-35 耗尽型绝缘栅场效应晶体管的结构与符号

a）P沟道耗尽型 b）N沟道耗尽型

3.绝缘栅型场效应晶体管的特性曲线

（1）转移特性曲线 由于绝缘栅型场效应晶体管分增强型和耗尽型两种，我们仅以N沟道为例介绍绝缘栅型场效应晶体管的特性曲线。

增强型NMOS管的转移特性曲线如图7-36a所示。U_GS=0时，I_D=0；只有当U_GS>U_T时才能使I_D>0，U_T称为开启电压。耗尽型NMOS管的转移特性曲线如图7-36b所示，在

图7-36 两种NMOS管的转移特性曲线

a）增强型 b）耗尽型

U_GS=0时，就有I_D；若使I_D减小，U_GS应为负值，当U_GS=U_P时，沟道被关断，I_D=0，U_P称为夹断电压。

对于增强型MOS管在U_GS≥U_T时（对应于输出特性曲线中的恒流区），I_D和U_GS的关系为I_D=I_DSS（U_GSU_T-1）2，其中I_DO是U_GS=2U_T时的I_D值。

耗尽型MOS管的转移特性与结型管的转移特性相似，所以在U_P≤U_GS≤0的范围内（对应于输出特性曲线中恒流区），I_D和U_GS的关系为I_D=I_DSS（1-U_GSU_P）2。所不同是当U_GS>0时，结型场效应晶体管的PN结将处于正向偏置状态而产生较大的栅极电流，这是不允许的；耗尽型MOS管由于SiO₂绝缘层的阻隔，不会产生PN结正向电流，而只能在沟道内感应出更多的负电荷，使I_D更大。

（2）输出特性曲线 绝缘栅型场效应晶体管的输出特性曲线和结型场效应晶体管类似，同样也分成三个区：可调电阻区、恒流区（饱和区）、击穿区，含义与结型场效应晶体管相同，跨导g_m=ΔI_D/ΔU_GS的定义及其含义也完全相同。