新型场效应管：电压控制元件的突出特点

场效应管是一种较新型的半导体器件，其外形与普通晶体管相似，但两者的控制特性截然不同.普通晶体管是电流控制元件，通过控制基极电流达到控制集电极电流或发射极电流的目的，即信号源必须提供一定的电流才能工作，因此它的输入电阻较低，仅有102～104Ω.场效应管则是电压控制元件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很高，可高达109～1014Ω.这是它的突出特点.此外，场效应管还具有热稳定性好、耗电少、易集成等优点，现在已被广泛应用于放大电路和数字电路中.

场效应管按其结构的不同可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两种类型.绝缘栅型场效应管按其工作状态可以分为增强型与耗尽型两类，每类又有N沟道和P沟道之分.本节只介绍绝缘栅型场效应管，下面简单说明它们的结构、工作原理.

1.增强型绝缘栅型场效应管

图4-23是N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构示意图.用一块杂质浓度较低的P型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂浓度的N＋区，并在硅片表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层.再在两个N＋区之间的二氧化硅的表面及两个N＋区表面分别安置三个电极：栅极G、源极S和漏极D.由此可见，栅极和其他电极及硅片之间是绝缘的，所以称为绝缘栅型场效应管，或称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管.由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，栅源电阻（输入电阻）RGS很高，最高可达1014Ω.

图4-23　N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构及其表示符号

从图4-23可见，N＋型漏区和N＋型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结，当栅-源电压UGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置，反向电阻很高，漏极电流ID近似为零.

如果在栅极和源极之间加正向电压UGS，产生垂直于衬底表面的电场.由于二氧化硅绝缘层很薄，因此即使UGS很小（如只有几伏），也能产生很强的电场强度（可达105～106 V／cm）.P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，除填补空穴形成负离子的耗尽层外，还在表面形成一个N型层，通常称它为反型层.它就是沟通源区和漏区的N型导电沟道（与P型衬底间被耗尽层绝缘）.UGS正值越高，导电沟道越宽.形成导电沟道后，在漏极电源ED的作用下，将产生漏极电流ID，管子导通，如图4-25所示.

图4-24　N沟道增强型绝缘栅型场效应管导电沟道的形成

图4-25　N沟道增强型绝缘栅型场效应管的导通

在一定的漏 -源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅-源电压称为开启电压，用UGS（th）表示.很明显，在0＜UGS＜UGS（th）的范围内，漏、源极间沟道尚未联通，ID≈0.只有当UGS＞UGS（th）时，随栅极电位的变化ID也随之变化，这就是N沟道增强型绝缘栅型场效应管的栅极控制作用.图4-26和图4-27分别称为管子的转移特性曲线和漏极特性曲线.所谓转移特性，就是输入电压对输出电流的控制特性.MOS管的特性曲线可分为可变电阻区、恒流区和夹断区，相当于三极管输出特性曲线的饱和区、放大区和截止区.

图4-26　N沟道增强型管的转移特性曲线

图4-27　N沟道增强型管的漏极特性曲线

图4-28为P沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构示意图.它的工作原理与前一种相似，只是要调换电源的极性，电流的方向也相反.

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图4-28　P沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构及其表示符号

2.耗尽型绝缘栅型场效应管

图4-29　N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管的结构及其表示符号

上述的增强型绝缘栅型场效应管只有当UGS＞UGS（th）时才形成导电沟道，如果在制造管子时就使它具有一个原始导电沟道，这种绝缘栅型场效应管就属于耗尽型，以与增强型区别.图4-29是N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管的结构示意图.在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，因而在两个N＋区之间便感应出较多电子，形成原始导电沟道.与增强型相比，它的结构变化不大，但其控制特性却有明显改进.在UDS为常数的条件下，当UGS=0时，漏、源极间已可导通，流过的是原始导电沟道的漏极电流IDSS.当UGS＞0时，在N沟道内感应出更多的电子，使沟道变宽，所以ID随UGS的增大而增大.当加反向电压时，在沟道内感应出一些正电荷与电子复合，使沟道变窄，ID减小；UGS负值愈高，沟道愈窄，ID也就愈小.当UGS达到一定负值时，导电沟道内的载流子（电子）因复合而耗尽，沟道被夹断，ID≈0，这时的UGS称为夹断电压，用UGS（off）表示.图4-30和图4-31分别为N沟道耗尽型管的转移特性曲线和漏极特性曲线.可见，耗尽型绝缘栅型场效应管不论栅-源电压UGS是正、是负、还是零，都能控制漏极电流ID，这个特点使它的应用具有较大的灵活性.一般情况下，这类管子还是工作在负栅-源电压的状态.

图4-30　N沟道耗尽型管的转移特性曲线

图4-31　N沟道耗尽型的漏极特性曲线

实验表明，在UGS（off）≤UGS≤0范围内，耗尽型场效应管的转移特性可近似用下式表示：

以上分别介绍了N沟道增强型和耗尽型绝缘栅型场效应管，它们的主要区别就在于是否有原始导电沟道.所以，如果要判别一个没有型号的绝缘栅型场效应管是增强型还是耗尽型，只要检查它在UGS=0时，在漏、源极间加电压是否能导通，就可作出判别.

实际上，不但N沟道绝缘栅型场效应管有增强型与耗尽型之分，而且P沟道绝缘栅型场效应管也有增强型和耗尽型之分.所以绝缘栅型场效应管可分为下列四种：

对于不同类型的绝缘栅型场效应管必须注意所加电压的极性.

绝缘栅型场效应管的主要参数除上述的IDSS、UGS（off）、UGS、RGS等外，还有一个表示场效应管放大能力的参数，它是跨导，用符号gm表示.跨导是当漏-源电压UDS为常数时，漏极电流的增量ΔID 对引起这一变化的栅 源电压ΔUGS的增量的比值，即

跨导是衡量场效应管栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数，相当于三极管的电流放大系数β，它的单位是西门子（S）.

使用绝缘栅型场效应管时除注意不超过漏-源击穿电压UDS（BR）、栅-源击穿电压UGS（BR）等极限值外，还需要特别注意可能出现栅极感应电压过高而造成绝缘层的击穿问题.为了避免这种损坏，在保存时必须将三个电极短接；在电路中栅、源间应有直流通路；焊接时应使电烙铁有良好的接地.