3.2　场效应管

3.2.1　结型场效应管

结型场效应管是利用半导体内的电场效应来工作的，因而也成为体内场效应器件，结型场效应管有N沟道和P沟道两类。

1.结构与符号

N沟道结型场效应管结构示意图及图形符号如图3.2所示。在一块N型半导体材料的两侧，利用一定的工艺做成掺杂程度比较高的P型区（用符号P+表示），则在P型区和N型区的交界处将形成一个PN结，即耗尽层。耗尽层内几乎没有载流子，不能参与导电。将两侧的P型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极（G）。再在N型区一端引出源极（S），另一端引出漏极（D）。

场效应管的3个电极与晶体管的3个电极的对应关系是：栅极G—基极B、源极S—发射极E、漏极D—集电极C，夹在两个PN结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。如果在漏极和源极之间加上一个正向电压，即漏极接通电源正端，源极接电源负端，则因N型半导体材料中存在多数载流子（电子），因而可以导电。这种场效应管的导电沟道是N型的，所以称为N沟道结型场效应管，电路符号如图3.2（b）所示。注意图形符号中的箭头是指向内部的，即由P+区指向N区。

另一种结型场效应管的导电沟道是P型的，如图3.3（a）所示，在一块P型半导体材料的两侧做成掺杂程度比较高的N型区（用符号N+表示），并将其连在一起引出栅极（G），然后从P型半导体的两端分别引出源极（S）和漏极（D），这就是P沟道结型场效应管，图形符号如图3.3（b）所示，符号中的箭头是指向外侧的，即由P区指向N+区。

以上两种场效应管工作原理是类似的。下面以N沟道结型场效应管为例，介绍它们的工作原理及其特性曲线。

2.工作原理

N沟道结型场效应管的工作原理如图3.4所示，从结型场效应管的结构可看出，在D、S间加上电压uDS，则在源极和漏极之间形成漏极电流iD。通过改变栅极和源极的反向电压uGS，则可以改变两个PN结耗尽层的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以耗尽层主要形成在沟道区。故|uGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流iD。如果|uGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，iD下降，反之亦然。所以，改变uGS的大小，可以控制漏极电流，这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。下面详细进行讨论。

①当结型场效应管的栅极和源极之间的电压uGS变化时，对漏极电流iD的控制作用。为便于讨论，首先假设漏-源极间所加的电压uDS=0，则

●　当uGS=0时，两个PN结的耗尽层均很薄，导电沟道较宽，其电阻较小。

●　当uGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结间的耗尽层将加宽，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当|uGS|进一步增大到一定值|UGS（off）|时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压uDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压uGS称为夹断电压，用UGS（off）表示。由以上分析可知N沟道结型场效应管的夹断电压UGS（off）是一个负值。

上述分析中，因为漏极和源极之间没有外加电源电压，即uDS=0，所以当uGS变化时虽然导电沟道随之发生变化，但漏极电流iD总是等于零。同时表明改变栅源之间的电压uGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。

②当栅源之间的电压uGS固定时，漏源之间的电压uDS的变化对耗尽层和漏极电流iD的影响。

在漏极和源极之间加上一定的正向电压后，将会在沟道中产生电流iD，在uGS一定时，iD的大小与uDS有关，uDS通过对沟道宽度的控制，改变沟道的等效电阻及iD的值。若假设uGS值固定，并且UGS（off）<uGS<0，则

●　当漏-源电压uDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。

●　在uDS的作用下，导电沟道呈楔形：由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形。

●　在uDS较小时，iD随uDS增加而几乎呈线性地增加。它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面uDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着uDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在uDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即uDS对沟道电阻影响不大，故iD随uDS增加而几乎呈线性地增加。随着uDS的进一步增加，靠近漏极一端的PN结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随uDS上升的速度趋缓。

●　当uDS增加到uDS=uGS-UGS（off）时，即uGD=uGS-uDS=UGS（off）（夹断电压）时，此时沟道预夹断，即漏极附近的耗尽层即在某一点处合拢，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子（电子）作漂移运动，并被强电场拉向漏极。

●　若uDS继续增加，使uDS>uGS-UGS（off），即uGD<UGS（off）时，耗尽层合拢部分会有增加，即自合拢处向源极方向延伸，夹断区的电阻越来越大，但此时的漏极电流iD不再随uDS的增加而增加，基本上趋于饱和，因为这时夹断区电阻很大，uDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当uDS增加到大于某一极限值（用U（BR）DS表示）后，漏极一端PN结上反向电压将使PN结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时uDS不能超过U（BR）DS。

综上分析可知，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型晶体管。结型场效应管是电压控制电流器件，iD受uGS控制。预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。另外，在栅极和源极之间加一个反向偏置电压，使PN结反向偏置，此时可以认为栅极基本上不取电流，因此，场效应管的输入电阻很高。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。

3.特性曲线

通常用转移特性和输出特性曲线来描述场效应管的电压与电流之间的关系。

（1）转移特性

当场效应管的漏源之间的电压uDS保持不变时，漏极电流iD与栅源之间的电压uGS的关系称为转移特性，其表达式如下：

转移特性描述的是栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。N沟道结型场效应管的转移特性曲线如图3.5（a）所示。从图中看出，当uGS=0时，iD达到最大值，uGS负值越大，iD越小。当uGS等于夹断电压uGS（off）时，漏极电流iD降为零。

从转移特性曲线上可以得到两个重要参数：一个是转移特性曲线与横坐标轴的交点处电压，它表示漏极电流iD=0时的uGS，即为夹断电压UGS（off）；另外一个参数是转移特性曲线与纵坐标轴交点处的电流，它表示当uGS=0时的漏极电流，称为饱和漏极电流，用符号IDSS表示。

图3.5（a）所示的N沟道结型场效应管的转移特性曲线可以用以下公式近似表示：

（2）输出特性

场效应管的输出特性表示当栅源之间的电压uGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即

N沟道结型场效应管的输出特性曲线如图3.5（b）所示。该特性也是一组曲线，与双极型晶体管的共射输出特性曲线相似，不同之处是晶体管是不同的iB曲线组，而结型场效应管是不同的uGS曲线组。特性曲线也分为以下几个区：

①可变电阻区：该工作区的特点是uDS较小，对于一定的uGS，iD随uDS的增加而直线上升，二者之间基本上呈线性关系，此时场效应管相当于一个线性电阻；而当改变uGS的值时，特性曲线的斜率发生变化，即相当于电阻的阻值不同。因此在该区，场效应管的漏极与源极之间可以看成是一个由uGS控制的可变电阻区即压控电阻，所以成为可变电阻区。uGS值越负，特性曲线斜率越小，则相应的电阻值越大，形成可变电阻区中一组曲线。

②恒流区：特性曲线中间近似水平的部分称为恒流区（也称饱和区）。该工作区的特点是：iD基本不随uDS而变化，iD的值主要取决于uGS，是一组近似水平于uDS轴的曲线。该区域是线性放大区，结型场效应管作为放大元件时一般工作在这个区域。在组成放大电路时，为了防止出现非线性失真，应将工作点设置在此区域内。

③击穿区：当漏源之间的电压uDS超过PN结所能承受的反向电压时，iD急剧上升，发生击穿现象，场效应管不能正常工作，甚至损坏。所以，结型场效应管不允许工作在这个区域。

④截止区：输出特性曲线靠近uDS轴的部分称为截止区（也称夹断区），它是发生时，此时场效应管的导电沟道完全被夹断，iD≈0。

在结型场效应管中，由于栅极与导电沟道之间的PN结被反向偏置，所以栅极基本上不取电流，其输入电阻很高，可达107Ω以上。但是，在某些情况下希望得到更高的输入电阻，此时可以考虑采用绝缘栅场效应管。

3.2.2　绝缘栅型场效应管

绝缘栅场效应管是一种金属（M）-氧化物（O）-半导体（S）结构的场效应管，简称为MOS（Metal Oxide Semiconductor）管或MOSFET。由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，因此其输入电阻比结型场效应管更高，可达109Ω以上。它有N沟道和P沟道两大类，每一类又有增强型和耗尽型两种。所谓增强型是当uGS=0时，漏极与源极之间没有导电沟道，即使在漏极和源极之间加有电压，也没有漏极电流；而耗尽型是当uGS=0时，漏极与源极之间已经有了导电沟道。本节以N沟道绝缘栅型场效应管为例进行讲解。

1.N沟道增强MOS型管

（1）结构与符号

图3.6（a）所示是N沟道增强型MOS管的结构示意图。用一块P型硅衬底，在衬底上面的左、右两边制成两个高掺杂浓度的N型区，用N+表示，在这两个N+区各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D，MOS管的衬底也引出一个电极称为B衬底引线。MOS管在工作时B通常与S相连接。在这两个N+区之间的P型半导体表面做出一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在绝缘层上面喷一层金属铝电极，称为栅极G，图3.6（b）所示为N沟道增强型MOS管的图形符号。

从结构上看，场效应管的栅极与源极、栅极与漏极均无电接触，故称为绝缘栅场效应管。它们的S、G、D极分别对应晶体管的E、B、C极。

（2）工作原理

现以图3.7所示电路为例来讨论场效应管的工作原理。这是一个N沟道增强型绝缘栅场效应管，在它的漏极D与源极S之间加上工作电压uDS后，场效应管的输出电流iD就受栅源之间的电压uGS的控制。当栅极和源极之间所加的电压uGS=0时，由于漏源之间无原始导电沟道，漏极D与衬底B之间PN反向偏置，漏极电流表显示电流为零，场效应管处于截止状态。

当栅源之间所加电压uGS>0时，靠绝缘层一侧的P型衬底就会感应出一层电子，即为N型层。当uGS增加至某个临界电压UGS（th）时，两个分离的N+区便会接通，形成N型导电沟道，于是产生漏极电流iD，场效应管处于导通状态。这个临界电压UGS（th）称为开启电压。场效应管的开启电压相当于晶体管的死区电压，但不同的是突破死区电压后晶体管基极B开始有基极电流，而此时的栅极G并没有栅极电流。显然，越加大uGS，导电沟道就会越宽，在同样的uDS作用下，iD也就越大，这就是MOS管中uGS控制的原理。它是利用外加电压uGS控制半导体表面的金属-二氧化硅中的电场效应，改变导电沟道厚薄来控制iD大小。这种uGS=0时没有导电沟道，uGS≥UGS（th）后才有导电沟道，而且uGS越大iD越大的现象，正是“增强型”的含义。

（3）特性曲线

绝缘栅型场效应管和结型场效应管一样都是由转移特性曲线和输出曲线来描述其电压与电流之间的关系的。

转移特性是指uDS为固定值时，iD与uGS之间的关系，表示了uGS对iD的控制作用，即

由于uDS对iD的影响较小，所以不同的uDS所对应的转移特性曲线基本上是重合在一起的，如图3.8（a）所示。这时iD可以近似地表示为：

式中，IDO是uGS=2UGS（th）时的iD值。另外，在使用时要注意，其中的uGS必须大于UGS（th），否则iD=0。

由图3.8（a）可知，当uGS=0时，iD=0；当uGS>UGS（th）时，输出电流iD随着uGS的增大而增大。

输出特性是指uGS为一固定值时，iD与uDS之间的关系，即

它描述的是当加在栅极和源极之间的电压uGS>UGS（th）并保持不变时，漏极电流iD随着漏源之间的电压uDS变化的曲线，如图3.8（b）所示。同结型场效应管一样，输出特性可分为4个区：可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。

①可变电阻区：该区对应uGS>UGS（th），uDS很小，满足uGD=uGS-uDS>UGS（th）。该区的特点是：若uGS不变，iD随着uDS的增大而线性增加，可以看成是一个电阻，对应不同的uGS值，各条特性曲线直线部分的斜率不同，即阻值发生改变。因此，该区是一个受uGS控制的可变电阻区，工作在这个区的场效应管相当于一个压控电阻。

②恒流区：亦称饱和区、放大区。该区对应uGS>UGS（th），uDS较大，该区的特点是若uGS固定为某个值时，随uDS的增大，iD不变，特性曲线近似为水平线，因此称为恒流区。而对应同一个uDS值，不同的uGS值可感应出不同宽度的导电沟道，产生不同大小的漏极电流iD，也就是说在此区内，漏极电流iD只随栅源之间的电压uGS的增大而增大，曲线的间隔反映出uGS对iD的控制作用。

③击穿区：当uDS增大到某一值时，漏极电流iD急剧增大，漏极和源极之间的PN结会被反向击穿，使iD急剧增加。若不加限制，会造成场效应管损坏。

④截止区：输出特性曲线靠近uDS轴的部分称为截止区（也称夹断区），此时场效应管的导电沟道被夹断，iD≈0。

2.N沟道耗尽型MOS管

N沟道耗尽型MOS管的结构与增强型一样，所不同的是在制造过程中，在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子。当uGS=0时，由正离子产生的电场就能吸收足够的电子产生原始沟道，如果加上正向uDS电压，就可在原始沟道中产生电流。其结构、图形符号如图3.9所示。

当uGS正向增加时，将增强由绝缘层中正离子产生的电场，感应的沟道加宽，iD将增大，当uGS加反向电压时，将削弱由绝缘层中正离子产生的电场，感应的沟道变窄，iD将减小，当uGS达到某一负电压值UGS（off）时，完全抵消了由正离子产生的电场，导电沟道消失，使iD≈0，UGS（off）称为夹断电压。

在uGS>UGS（off）后，漏源之间的电压uDS对iD的影响较小。它的特性曲线形状，与增强型MOS管类似，如图3.10所示。

由以上可知，耗尽型MOS管在uGS=0时，导电沟道便已经形成，当uGS由零减小到UGS（off）时，沟道逐渐变窄而夹断，故称为“耗尽型”。耗尽型MOS管不论栅源电压uGS是正、负或零值都能控制漏极电流iD，这是与增强型MOS管不同的一个重要特点。

P沟道MOS管和N沟道MOS管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同。P沟道MOS管是以N型硅作为衬底，而漏极和源极从P+区引出，形成的导电沟道为P型。对于耗尽型P沟道MOS管，在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，在这里不再赘述。

3.2.3　场效应管的主要参数

1.直流参数

①开启电压UGS（th）（或UT）：UGS（th）是在uDS为一常量时，使iD大于零所需的最小uGS值。对于N沟道管子，UGS（th）为正值；对于P沟道管子，UGS（th）为负值。它是增强型MOS管的参数。

②夹断电压UGS（off）（或UP）：UGS（off）是在uDS为某一固定值时，使场效应管处于刚开始截止的栅源之间的电压uGS。N沟道场效应管的UGS（off）为负值。它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。

③饱和漏极电流IDSS：指在uGS=0情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSS。

④直流输入电阻RGS：RGS是指在漏、源极间短路的条件下，栅源电压uGS与栅极电流iG之比，即栅源之间的直流电阻。对于结型管uGS反偏，RGS大于107Ω；而对于绝缘栅场效应管，RGS大于109Ω。

⑤输出电阻RDS：输出电阻RDS是输出特性某一点切线斜率的倒数。即

输出电阻RDS说明了uDS对iD的影响。在饱和区（即恒流区），iD随uDS改变很小，因此RDS的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。

2.交流参数

①低频跨导gm：指在uDS为某一固定的值时，漏极电流iD的微变化量和引起它变化的uGS微变化量的比值，即

gm数值的大小表示uGS对iD的控制能力，单位是西[门子]S，也常用mS，一般场效应管的跨导为零点几到几十毫西。

②极间电容：CGS为1～3pF；CDS为0.1～1pF。在高频电路中应考虑极间电容的影响。

3.极限参数

①最大漏极电流IDM：IDM是场效应管正常工作时漏极电流的上限值。

②击穿电压：场效应管进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS称为漏源击穿电压U（BR）DS，uDS超过此值会使场效应管烧坏。表示栅源之间开始击穿的电压值称为最大栅源电压U（BR）GS。

③最大漏极耗散功率PDM：指PDM=uDSiD不能超过的极限值，耗散功率使场效应管发热温度升高，使用时不能超过这个值。

【例3.1】　已知某场效应管的输出特性曲线如图3.11所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。

解：从iD的方向或uDS、uGS可知，该管为N沟道管；从输出特性曲线可知开启电压UGS（th）=4V>0，说明该管为增强型MOS管，所以，该管为N沟道增强型MOS管。

3.2.4　各种场效应管特性的比较

表3.1总结列举了6种类型场效应管在电路中的符号，偏置电压的极性和特性曲线。读者可以通过比较进行区别。