绝缘栅型场效应管：原理、性能及应用

绝缘栅场效应管的种类较多，有PMOS、NMOS和VMOS功率管等，但应用最多的是MOS管。MOS绝缘栅场效应管也即金属-氧化物-半导体场效应管，通常用MOS表示，简称MOS管。它具有比结型场效应管更高的输入阻抗（可达1 012 Ω以上），并且制造工艺比较简单，使用灵活方便，非常有利于高度集成化。特点：具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省等优点，制作工艺简单、便于集成。双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流的电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载流子参与导电，因此称为单极型三极管，单极型三极管是利用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型器件。常见场效应管的外形图如图5.30所示。

图5.30　常见场效应管的外形图

场效应管按结构可分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）。其中，绝缘栅型场效应管的输入电阻极高（109～1014 Ω），便于集成化，因此广泛应用于集成电路中。绝缘栅型场效应管有N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。

1.增强型绝缘栅型场效应管

（1）结构与符号。

N沟道增强型MOS管的结构如图5.31（a）所示。它是在一块P型硅衬底上制作两个高掺杂的N区，并引出两个电极，分别称为源极S和漏极D；在P型硅表面生成一层SiO2绝缘层，在绝缘层上覆盖一层铝并引出电极，称为栅极G。显然，栅极与源极、漏极以及衬底之间均为绝缘的，因此称为绝缘栅型场效应管。图5.31（b）、（c）分别为N沟道和P沟道增强型MOS管的电路符号，图5.32是不同类型MOS管的电路图符号。

图5.31　增强型MOS管的结构及符号

图5.32　不同类型MOS管的电路图符号

其中虚线表示增强型，实线表示耗尽型，由图可看出，衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。

（2）工作原理。

以增强型NMOS管为例说明其工作原理。N沟道增强型MOS管不存在原始导电沟道。如图5.33所示。

图5.33　导电沟道的形成

当栅源极间电压UGS=0时，增强型MOS管的漏极和源极之间相当于存在两个背靠背的PN结。此时无论UDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，ID=0。MOS管处于截止区。

在栅极和衬底间加UGS且与源极连在一起，由于二氧化硅绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。

导电沟道形成时，对应的栅源间电压UGS=UT称为开启电压。

当UGS＞UT、UDS≠0且较小时，当UGS继续增大，UDS仍然很小且不变时，ID随着UGS的增大而增大。此时增大UDS，导电沟道出现梯度，ID又将随着UDS的增大而增大。直到UGD=UGS－UDS=UT时，相当于UDS增加使漏极沟道缩减到导电沟道刚刚开启的情况，称为预夹断，ID基本饱和。沟道出现预夹断时工作在放大状态，放大区ID几乎与UDS的变化无关，只受UGS的控制。即MOS管是利用栅源电压UGS来控制漏极电流ID大小的一种电压控制器件。如果继续增大UDS，使UGD＜UT时，沟道夹断区延长，ID达到最大且恒定，管子将从放大区跳出而进入饱和区。

（3）特性曲线。

① 输出特性曲线。

场效应管的输出特性是指当栅源电压uGS为某一定值时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，即，图5.34（a）为某N沟道增强型MOS管的输出特性曲线。它可分为3个区域，即可变电阻区、恒流区和夹断区，分别类似于三极管的饱和区、放大区和截止区。

② 转移特性曲线。

场效应管的转移特性是指当漏源电压uDS为某一定值时，漏极电流iD与栅源电压uGS的关系，即，图5.34（b）为某N沟道增强型MOS管的转移特性曲线。由于uGS≥UGS（off）时沟道才形成，即有iD产生，因此转移特性曲线从UGS（off）开始，而当uGS＜UGS（off）时iD=0。

图5.34　N沟道增强型MOS管的特性曲线

2.耗尽型绝缘栅型场效应管

（1）结构与符号。

N沟道耗尽型MOS管的结构如图5.35（a）所示。它与N沟道增强型MOS管的结构基本相同，不过在制造时，在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，则可在P型衬底表面感应出一个N型层，形成N沟道。图5.35（b）、（c）分别为N沟道和P沟道耗尽型MOS管的符号。

图5.35　耗尽型MOS管的结构与符号(www.xing528.com)

（2）工作原理。

N沟道耗尽型MOS管正常工作时，漏源极之间应加正电压，即uDS＞0，而栅源极之间的偏置电压uGS可正可负。

由于N沟道耗尽型MOS管存在原始导电沟道，若在漏源极之间加正电压uDS，即使uGS=0，也有iD产生。如果uGS＞0，则P型衬底表面层的电子增多，沟道变宽，iD增大；反之，如果uGS＜0，则表面层的电子减少，沟道变窄，iD减小。当uGS减小到某一临界值时，导电沟道消失，iD=0，这时的栅源电压uGS称为夹断电压UGS（off）。

（3）特性曲线。

N沟道耗尽型MOS管的特性曲线如图5.36所示，其输出特性曲线也可分为可变电阻区、恒流区和夹断区。由其转移特性曲线可知，uGS=0时，iD=IDSS；随着uGS的减小，iD也减小，当uGS=UGS（off）时，iD≈0；当uGS＞0时，iD＞IDSS。

综上所述，三极管和场效应管都是具有放大作用的器件，但工作机理不同。三极管是电流控制型器件，而场效应管是电压控制型器件。在电路参数相同的情况下，三极管放大器的放大能力远大于场效应管，而场效应管放大器的输入电阻远高于三极管。

3.场效应管使用注意事项

由于场效应管的输入电阻很高（尤其是MOS管），当栅极悬空时，栅极上感应出的电荷很难泄放。而且，栅源间和栅漏间的电容很小，约为几皮法，少量的电荷就可以产生较高的电压，很容易击穿绝缘层而损坏管子。因此，场效应管在实际使用时应注意下列几点。

（1）场效应管的栅极不能悬空。通常可以在栅源之间接一个电阻或稳压管，以保持栅源极间有通路，降低栅极电压，防止击穿。

图5.36　N沟道耗尽型MOS管的特性曲线

（2）在存放时，应将绝缘栅型场效应管的3个电极相互短接，以免受外电场作用而损坏管子，而结型场效应管可以在开路状态下保存。

（3）在焊接时，应先将场效应管的3个电极短路，按照源极→漏极→栅极的先后顺序焊接，且烙铁必须良好接地。焊接绝缘栅型场效应管时，最好在烙铁加热后，切断电源，利用余热进行焊接，以确保安全。

（4）结型场效应管可以用万用表定性检查管子的质量，但绝缘栅型场效应管不行。用测试仪检查绝缘栅型场效应管时，必须在它接入测试仪后才能去掉各电极的短路保护；测试完成后，也应先短路后取下。

（5）安装调试时务必使用接地良好的电源和测试仪表。

4.场效应管与双极型三极管比较

（1）晶体三极管BJT是电流控制器件，场效应管FET是电压控制器件，场效应管的跨导gm比较小，其放大作用远低于晶体三极管。

（2）在仅允许取少量信号源电流的情况下，应选用场效应管构成放大电路；在允许取一定输入电流的情况下，可以选用三极管构成放大电路。

（3）三极管是双极型器件，场效应管是利用多子导电的单极型器件，所以场效应管的温度稳定性好，在温度变化较大的场合，宜选用场效应管。

（4）场效应管的制造工艺简单，便于集成，特别适用于制造集成电路。

（5）对于结型FET和衬底不与源极相连的MOS管来说，漏极和源极是对称的，可以互换使用。对于耗尽型MOS管来说，栅极偏置电压可正、可负、可零，设计电路时更加方便。

（6）在小电流、低电压时，场效应管可以作为受栅源电压控制的可变电阻来使用。

5.场效晶体管的电压控制作用

（1）MOS管的栅极是绝缘的，因此管子的输入电阻可达1 010 Ω以上，故iG≈0。所以和三极管不同的是：场效应管不是用栅极电流来控制漏极输出电流的，而是利用输入栅源电压UGS来控制漏极输出电流ID，是电压控制器件。

（2）和三极管的类似的参数是低频跨导。

（3）在场效应管的放大作用中，少子并不参与控制作用，是单极型器件。