5.5 场 效 应 管

 

5.5  场效应管

三极管是电流控制的双极型器件，场效应管是一种电压控制的单极型半导体器件，它不但具有一般三极管的特点，如体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还具有输入阻抗高（可达10⁹～10¹⁴Ω）；噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等特点。因此目前已广泛用于各种电子电路中。

按场效应管结构的不同，可分为结型和绝缘栅型两种。其中，绝缘栅型场效应管在制造工艺方面简单，便于实现集成电路，发展很快，目前已得到广泛应用。

5.5.1  结型场效应管

1．结型场效应管的结构

结型场效应管的结构示意图及符号如图5-28所示，下面以N沟道结型场效应管为例介绍结型场效应管的结构。N沟道结型场效应管是在一块掺杂浓度较低的N型半导体上，制作两个高浓度的P型区（称为P⁺型区），从而形成两个P⁺N结。将两个P⁺型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极（用G表示）；在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为漏极（用D表示）和源极（用S表示）。两个PN结中间的N型区是漏极和源极之间的电流沟道，称为导电沟道。由于导电沟道是N型区，其多子是自由电子，故称为N沟道结型场效应管；其符号箭头方向是从栅极指向沟道，即从P区指向N区。

如果在一块P型硅片两侧分别制出一个高浓度的N型区，就可制成P沟道结型场效应管，其结构和符号如图5-28（b）、（d）所示。

（a）N型沟道          （b）P型沟道         （c）N沟道          （d）P沟道

图5-28  结型场效应管结构及符号

2．结型场效应管的工作原理

上述两种结构的结型场效应管工作原理完全相同，下面以N型沟道结型场效应管为例进行分析。

研究场效应管的工作原理，主要是讲输入电压对输出电流的控制作用。在如图5-29所示原理图中，绘出了当漏源电压U_DS=0时，栅源电压U_GS大小对导电沟道影响的示意图。

（1）当U_GS=0时，PN结的耗尽层如图5-29（a）中阴影部分所示。耗尽层只占N型半导体体积的很小一部分，导电沟道比较宽，沟道电阻较小。

（2）当在栅极和源极之间加上一个可变直流负电源U_GG时，此时栅源电压U_GS为负值，两个PN结都处于反向偏置，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟通电阻加大，如图5-29（b）所示。而且栅漏电压U_GS愈负，导电沟通愈窄，沟道电阻愈大。

（3）当栅源电压U_GS负到某一值时，两边的耗尽层近于碰上，仿佛沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大，如图5-29（c）所示。此时的栅源电压称为栅源截止电压（或夹断电压），并以队U_GS(off)，表示。

（a）                                    （b）                       （c）

图5-29  N沟道结型场效应管工作原理

由以上的分析可知，改变栅源电压U_GS的大小，就能改变导电沟道的宽窄，也就能改变沟道电阻的大小。如果在漏极和源极之间接入一个适当大小的正电源U_DD，则N型导电沟道中的多数载流子（电子）便从源极通过导电沟通向漏极作漂移运动，从而形成漏极电流I_D。显然，在漏源电压U_DS一定时，I_D的大小是由导电沟道的宽窄（即电阻的大小）决定的，于是可以得出结论：栅源电压U_GS对漏极电流I_D有控制作用。这种利用电压所产生的电场控制半导体中电流的效应，称为“场效应”。场效应管因此得名。

此外，栅源电压U_GS在负值范围内变化时，PN结始终处于反向偏置，栅极电流基本为零，所以结型场效应管的输入电阻较大，一般可达10⁶～10⁹Ω。

3．结型场效应管的特性曲线

场效应管的特性曲线最常用的有转移特性曲线和输出特性曲线。它们可用图示仪直接显示出来，也可以通过实验逐点测绘出。

（1）转移特性曲线。转移特性曲线是用于描述漏-源电压一定情况下，漏极电流与栅-源电压之间关系的曲线，即

                                         （5.5.1）

N沟道JFET的转移特性曲线如图5-30所示。

图5-30给出了某N沟道结型场效应管的转移特性。从图中可以看出U_GS对I_D的控制作用。U_GS=0时的I_D称为栅源短路时漏极电流，记为I_DSS。使I_D≈0时的栅源电压就是栅源截止电压U_GS（off）。

从图中还可看出，对应不同的U_DS，转移特性不同。但是，当U_DS大于一定数值后，不同的U_DS，转移特性是很靠近的，这时可以认为转移特性重合为一条曲线，使分析得到简化。

此外，图5-30中的转移特性，可以用一个近似公式来表示

                                      （5.5.2）

（2）输出特性曲线。输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压U_GS一定时，漏极电流I_D与漏源电压U_DS之间关系。函数表示为

                                        （5.5.3）

图5-31给出了某N沟道结型场效应管的输出特性。从图中可以看出，管子的工作状态可分为可变电阻区、恒流区和击穿区这3个区域。

（1）可变电阻区：特性曲线上升的部分称为可变电阻区。在此区内，U_DS较小。I_D随U_DS的增加而近于直线上升，管子的工作状态相当于一个电阻，而且这个电阻的大小又随栅源电压U_GS的变化而变化（不同U_GS的输出特性的切线斜率不同），所以把这个区域称为可变电阻区。

（2）恒流区：曲线近于水平的部分称为恒流区（又称饱和区）。在此区内，U_DS增加，I_D基本不变（对应同一U_GS），管子的工作状态相当于一个“恒流源”，所以把这部分区域称为恒流区。

        

图5-30  N沟道结型场效应管转移特性曲线         图5-31  N沟道结型场效应管输出特性曲线

图5-32  UDS对沟道的影响

在恒流区内，I_D随U_GS的大小而改变，曲线间隔反映出U_GS对I_D的控制能力。从这种意义来讲，恒流区又可称为线性放大区。场效应管作放大运用时，一般就工作在这个区域。恒流区产生的物理原因，是由于漏源电压U_DS在N沟道的纵向产生电位梯度，使得从漏极至源极沟道的不同位置上，沟道-栅极间的电压不相等，靠近漏端最大，耗尽层也最宽，而靠近源端的耗尽层最窄。这样，在U_GS和U_DS的共同作用下，导电沟道呈楔型，如图5-32所示。当U_DS增加到使U_DS=U_GS（off）时，两边的耗尽层首先在图中A点处靠拢，沟道被夹断。因为它不同于完全夹断，所以称为预夹断。此后，随着U_DS的增加，沟道夹断的长度向源极方向延伸。由于耗尽层的电阻比沟道的电阻大得多，所以U_DS增加的部分几乎全部降落在夹断处的耗尽层上，在导电沟道上的电位梯度几乎不变，因而I_D就几乎不变，出现恒流现象。

（3）击穿区：特性曲线快速上翘部分称为击穿区。在此区内，U_DS较大，I_D剧增，出现了击穿现象。场效应管工作时，不允许进入这个区域。

5.5.2  绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管（简称MOS管）按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道和P沟道；MOS管按照工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型。因此MOS管可分为N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和P沟道耗尽型4种。

增强型MOS管与耗尽型MOS管的区别是：增强型MOS管在栅-源之间未加电压时，无导电沟道；只有当栅-源之间加上电压后，才能产生导电沟道。而耗尽型MOS管在栅-源之间未加电压时，已经存在导电沟道。本节以N沟道增强型MOS管为例，介绍MOS管的结构、工作原理及特性曲线。

1．N沟道增强型绝缘栅场效应管

N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图5-33所示。它的制作过程是：以一块杂质浓度较低的P型硅半导体薄片作衬底，利用扩散方法在上面形成两个高掺杂的N⁺区，并在N⁺区上安置两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D），然后在半导体表面覆盖一层很薄的SiO₂绝缘层，并在SiO₂表面再安置一个金属电极，称为栅极（G），栅极同源极、漏极均无电接触，故称“绝缘栅极”。

（a）

（b）

图5-33  N沟道增强型绝缘栅场效应管结构图及符号PMOS管符号

2．N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理

在图5-33（a）中，如果将栅极与源极短路，那么不论漏极与源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏极与源极间将无电流。

如果在栅极与源极间加上一个正电源U_GS，并将衬底与源极相连，如图5-33所示。此时，栅极（金属）和衬底（P型硅片）相当于以SiO₂为介质的平板电容器，在正栅源电压U_GS即栅-衬底电压（U_GU）的作用下，介质中便产生一个垂直于P型衬底表面的由栅极指向衬底的电场，从而将衬底里的电子感应到表面上来。当U_GS较小时，感应到衬底表面上的电子数很少，并被衬底表层的大量空穴复合掉；直到U_GS增加超过某一临界电压时，介质中的强电场才在衬底表面层感应出“过剩”的电子。于是，便在P型衬底的表面形成一个N型层——称为反型层。这个反型层与漏、源的N⁺区之间没有PN结阻挡层，而具有良好的接触，相当于将漏、源极连在一起（见图5-33）。若此时加上漏源电压U_DS，就会产生I_D。形成反型层的临界电压，称为栅源阈电压（或称为开启电压），用U_GS（th）表示。这个反型层就构成源极和漏极的N型导电沟道，由于它是在电场的感应下产生的，故也称为感生沟道。

显然，N型导电沟道的厚薄是由栅源电压U_GS的大小决定的。改变U_GS，可以改变沟通的厚薄，也就是能够改变沟道的电阻，从而可以改变漏极电流I_D的大小。于是，可以得出结论：栅源电压U_GS能够控制漏极电流I_D。

N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线（示意图）如图5-34所示。图5-34（a）的转移特性是在U_DS为某一固定值的条件下测出的，当U_GS＜U_GS(th)时，I_D=0；当U_GS=U_GS(th)时，导电沟道形成，并且I_D随U_GS的增大而增大。图5-34（b）为输出特性，同结型场效应管的情况类似。

（a）转移特性                  （b）输出特性

图5-34  N沟道增强型绝缘栅场效应管转移特性和输出特性曲线

3．N沟道耗尽型绝缘栅场效应管

图5-35  N沟道耗尽型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构和增强型基本相同，只是在制作这种管子时，预先在SiO₂绝缘层中掺有大量的正离子。这样，即使在U_GS=0时，由于正离子的作用，也能在P型衬底表面形成感生沟道，将源区和漏区连接起来，如图5-35所示。当漏、源极之间加上正电压U_DS时，就会有较大的漏极电流I_D。如果U_GS为负，介质中的电场被削弱，使N型沟道中感应的负电荷减少，沟道变薄（电阻增大），因而I_D减小。这同结型场效应管相似，故称为“耗尽型”。所不同的是，N沟道耗尽型绝缘栅场效应管可在U_GS＞0的情况下工作，此时在N型沟道中感应出更多的负电荷，使I_D更大。不论栅源电压为正还是为负都能起控制I_D大小的作用，而又基本无栅流，这是这种管子的一个重要特点。

N沟道耗尽型绝缘栅场效应管转移特性和输出特性曲线如图5-36所示。

          （a）转移特性                        （b）输出特性

图5-36  N沟道耗尽型绝缘栅场效应管转移特性和输出特性曲线

现在对MOS管的符号再作进一步说明。如图5-37所示，在N沟道MOS管符号中，衬底上的箭头是向内的（由P型衬底指向N型沟道）；而在P沟道MOS管的符号中，衬底上的箭头是向外的（由P型沟道指向N型衬底）。在增强型MOS管的符号中，S、D和衬底U之间是断开的，表示U_GS=0时导电沟道没有形成；在耗尽型MOS管的符号中，S、D和U是连在一起的，表示U_GS=0时导电沟道也已存在。

（a）N沟道增强型       （b）N沟道耗尽型     （c）N沟道MOS管简化符号

（d）P沟道增强型       （e）P沟道耗尽型       （f）P沟道MOS管简化符号

图5-37  绝缘栅场效应管电路符号

5.5.3  场效应管的主要参数及特点

1．直流参数

（1）饱和漏极电流I_DSS。I_DSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数，它的定义是当栅-源之间的电压U_GS等于零，而漏-源之间的电压U_DS大于夹断电压U_P时对应的漏极电流。

（2）夹断电压U_P。U_P也是耗尽型和结型场效应管的重要参数，其定义为当U_DS一定时，使I_D减小到某一个微小电流（如1μA，50μA）时所需的U_GS值。

（3）开启电压U_th。U_th是增强型场效应管的重要参数，它的定义是当U_DS一定时，漏极电流I_D达到某一数值（例如10μA）时所需加的U_GS值。

（4）直流输入电阻R_GS。R_GS是栅-源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高。结型在10⁶Ω以上，MOS管在10¹⁰Ω以上。

2．交流参数

（1）低频跨导g_m。

跨导g_m的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得：

（2）极间电容。场效应管3个电极之间的电容，包括C_GS、C_GD和C_DS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。这些极间电容一般为几个pF。

3．极限参数

（1）漏极最大允许耗散功率P_Dm。P_Dm与I_D、U_DS有如下关系

这部分功率将转化为热能，使管子的温度升高。P_Dm决定于场效应管允许的最高温升。

（2）漏、源间击穿电压BU_DS。在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流I_D急剧上升产生雪崩击穿时的U_DS。工作时外加在漏-源之间的电压不得超过此值。

（3）栅源间击穿电压BU_GS。结型场效应管正常工作时，栅-源之间的PN结处于反向偏置状态，若U_GS过高，PN结将被击穿。

对于MOS场效应管，由于栅极与沟道之间有一层很薄的SiO₂绝缘层，当U_GS过高时，可能将SiO₂绝缘层击穿，使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿，而和电容器击穿的情况类似，属于破坏性击穿，即栅-源间发生击穿，MOS管立即被损坏。

4．场效应管的特点

（1）场效应管是一种电压控制器件，即通过U_GS来控制I_D。

（2）场效应管输入端几乎没有电流，所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。

（3）由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性三极管相比，具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。

（4）由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响，因此应用时比较方便、灵活。

（5）场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成。

（6）由于MOS场效应管的输入电阻可高达10¹⁵Ω，因此，由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏，而栅极上的SiO₂绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层击穿而损坏管子。

（7）场效应管的跨导较小，当组成放大电路时，在相同的负荷电阻下，电压放大倍数比双极型三极管低。