场效应晶体管90476.doc

概述　　 场效应晶体管：英文名称为Field Effect Transistor，缩写为FET，简称场效应管　　各类场效应管根据其沟道所采用的半导体材料，可分为N型沟道和P型沟道两种所谓沟道，就是电流通道　　半导体的场效应，是在半导体表面的垂直方向上加一电场时，电子和空穴在表面电场作用下发生运动，半导体表面载流子的重新分布，因而半导体表面的导电能力受到电场的作用而改变，即改变为加电压的大小和方向，可以控制半导体表面层中多数载流子的浓度和类型，或控制PN结空间电荷区的宽度，这种现象称半导体的场效应  　　场效应管属于电压控制元件，这一点类似于电子管的三极管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的，与双极型晶体管相比，场效应晶体管具有如下特点：　　（1）输入阻抗高；　　（2）输入功耗小；　　（3）温度稳定性好；　　（4）信号放大稳定性好，信号失真小；　　（5）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低　　根据构造和工艺的不同，场效应管分为结型和绝缘型两大类　　结型场效应管　　图十一(a)是结型场效应管的结构示意图　　图十一(b)是N型导电沟道结型场效应管的电路符号    　　在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区（N区一般做得很薄），形成了两个PN结。

在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两个P区连起来，就构成了一个场效应管从N型区引出的两个电极分别为源极S和漏极D，从两个P区引出的电极叫栅极G，很薄的N区称为导电沟道　　绝缘栅型场效应管　　绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，在正常情况下断开的称增强型效应管增强型场效应管特点：当Vgs = 0时Id(漏极电流) = 0，只有当Vgs增加到某一个值时才开始导通，有漏极电流产生并称开始出现漏极电流时的栅源电压Vgs为开启电压 　　耗尽型场效应管的特点，它可以在正或负的栅源电压(正或负偏压)下工作，而且栅极上基本无栅流(非常高的输入电阻)　　结型栅场效应管应用的电路可以使用绝缘栅型场效应管，但绝缘栅增强型场效管应用的电路不能用结型 栅场效应管代替   在结型场效应管中，栅极和沟道间的PN结是反向偏置的，所以输入电阻很大但PN结反偏时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开，便制成了绝缘栅型场效应管，其输入电阻可提高到根据绝缘层所用材料之不同，绝缘栅场效应管有多种类型，目前应用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层的金属一氧化物一半导体（Meial-Oxide-Semiconductor）场效应管，简称MOS场效应管（MOSFET）。

它也有N沟道和P沟道两类，每类按结构不同又分为增强型和耗尽型    一、增强型MOS管    1．结构与符号    图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号它是在一块P型硅衬底上，扩散两个高浓度掺杂的N+区，在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极，称为源极s、栅极g和漏极d在其图形符号中，箭头表示漏极电流的实际方向    2．工作原理    绝缘栅场效应管的导电机理是，利用UGS 控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流ID若UGS＝0时，源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管，UGS＝0 时，漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管    图Z0125中衬底为P型半导体，在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝，如果在金属铝层和半导体之间加电压UGS，则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场，在这一电场作用下，P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥，使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层同时在电场作用下，P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面，并被空穴所俘获而形成负离子，组成不可移动的空间电荷层（称耗尽层又叫受主离子层）。

UGS愈大，电场排斥硅表面层中的空穴愈多，则耗尽层愈宽，且UGS愈大，电场愈强；当UGS 增大到某一栅源电压值VT（叫临界电压或开启电压）时，则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后，就会吸引少数载流子-电子，继而在表面层内形成电子的积累，从而使原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层由于与P型衬底的导电类型相反，故称为反型层在反型层下才是负离子组成的耗尽层这一N型电子层，把原来被PN结高阻层隔开的源区和漏区连接起来，形成导电沟道用图Z0126所示电路来分析栅源电压UGS控制导电沟道宽窄，改变漏极电流ID 的关系：当UGS＝0时，因没有电场作用，不能形成导电沟道，这时虽然漏源间外接有ED电源，但由于漏源间被P型衬底所隔开，漏源之间存在两个PN结，因此只能流过很小的反向电流，ID ≈0；当UGS＞0并逐渐增加到VT 时，反型层开始形成，漏源之间被N沟道连成一体这时在正的漏源电压UDS作用下；N沟道内的多子（电子）产生漂移运动，从源极流向漏极，形成漏极电流ID显然，UGS愈高，电场愈强，表面感应出的电子愈多，N型沟道愈宽沟道电阻愈小，ID愈大    3．输出特性曲线    N沟道增强型MOS管输出特性曲线如图Z0127所示，它是UGS为不同定值时，ID 与UDS之间关系的一簇曲线。

由图可见，各条曲线变化规律基本相同现以UGS＝5V一条曲线为例来进行分析设UGS ＞VT，导电沟道已形成当UDS= 0时，沟道里没有电子的定向运动，ID=0；当UDS＞0且较小时，沟道基本保持原状，表现出一定电阻，ID随UDS线性增大 ；当UDS较大时，由于电阻沿沟道递增，使UDS沿沟道的电位从漏端到源端递降，所以沿沟道的各点上，栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增，导致垂直于P型硅表面的电场强度从d至s极也递增，从而形成沟道宽度不均匀，漏端最窄，源端最宽如图Z0126所示随着UDS的增加，漏端沟道变得更窄，电阻相应变大，ID上升变慢 ；当UDS继续增大到UDS =UGS - VT时，近漏端的沟道开始消失，漏端一点处被夹断；如果UDS再增加，将出现夹断区这时，UDS增加的部分基本上降在夹断区上，使夹断部分的耗尽层变得更厚，而未夹断的导电沟道不再有多大变化，所以ID将维持刚出现夹断时的数值，趋于饱和，管子呈现恒流特性    对于不同的UGS值，沟道深浅也不同，UGS愈大，沟道愈深在恒流区，对于相同的UDS 值，UGS大的ID 也较大，表现为输出特性曲线上移    二、耗尽型MOS管    N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。

差别在于耗尽型MOS管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子，故在UGS= 0时，就在两个N十区之间的P型表面层中感应出大量的电子来，形成一定宽度的导电沟道这时，只要UDS＞0就会产生ID    对于N沟道耗尽型MOS管，无论UGS为正或负，都能控制ID的大小，并且不出现栅流这是耗尽型MOS管区别于增强型MOS管的主要特点    对于P沟道场效应管，其工作原理，特性曲线和N沟道相类似仅仅电源极性和电流方向不同而已。