3.1 场效应晶体管
3.1.1 场效应晶体管的结构、符号及工作原理
1. 增强型绝缘栅场效应晶体管
（1）结构与符号
图3-1所示为N沟道增强型MOS管的结构与符号，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作两个高浓度的N型区，在两个N型区分别引出一个金属电极，作为MOS管的源极S和漏极D；在P形衬底的表面生长一层很薄的SiO2绝缘层，绝缘层上引出一个金属电极称为MOS管的栅极G。由于栅极与漏极之间都是绝缘的，因而称之为绝缘栅型。B为从衬底引出的金属电极，一般工作时衬底与源极相连。符号中的箭头表示从P区（衬底）指向N区（N沟道），从N区（衬底）指向P区（N沟道），虚线表示增强型。
图3-1 N沟道增强型MOS管的结构与符号
a）N沟道结构图 b）N沟道符号 c）P沟道符号
（2）N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管工作原理如图3-2所示，在栅极G和源极S之间加电压UGS，漏极D和源极S之间加电压UDS，衬底B与源极S相连。
图3-2 N沟道增强型MOS管工作原理
a）UGS=0 b）UGS>0
如图3-2a所示，如果UGS=0，即栅极与源极之间不加电压，无论漏、源极间加的电压极性如何，总会有一个PN结呈反向偏置，漏、源极间都将无电流。
如果UGS>0，栅极（金属）和衬底（P型硅片）相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在UGS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UGS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；当UGS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。这个反型层将两个N型区接通，从而建立了N型导电沟道，相当于将漏、源极连在一起。若此时加上漏源电压UDS，就会产生ID。改变UGS，可以改变沟道的厚薄，也就是能够改变沟道的电阻，从而可以改变漏极电流ID的大小。由此可见，改变栅源电压UGS的大小，可以控制漏极电流ID。
这种在UGS=0时没有导电沟道，必须依靠栅源正电压的作用，才能形成导电沟道的场效应晶体管，称为增强型场效应晶体管。
2. 耗尽型绝缘栅场效应晶体管
（1）结构与符号
以N沟道耗尽型MOS管为例。N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管的结构和增强型基本相同，只是在制作这种管子时，预先在二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，耗尽型MOS管的结构与符号如图3-3所示。
（2）N沟道耗尽型MOS管的工作原理
结合图3-3所示，在UGS=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。当漏、源极之间加上正电压UDS时，就会有较大的漏极电流ID。如果UGS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ID减小。UGS>0的时，此时在N型沟道中感应出更多的负电荷，使ID更大。由此可见，不论栅源电压为正，还是为负都能起控制ID大小的作用。
图3-3 耗尽型MOS管的结构与符号
a）N沟道耗尽型MOS管的结构 b）N沟道符号 c）P沟道符号
3.1.2 场效应晶体管的特性曲线
场效应晶体管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特性曲线。
1. 转移特性曲线
在UDS一定时，漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系称为转移特性，即
漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。图3-4为N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的转移特性曲线，在一定的漏源电压下，使增加型MOS管形成导电沟道，产生漏极电流时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS（th）表示。显然，只有当UGS≥UGS（th）时，栅源电压才可以控制漏极电流，它们的关系可近似表示为
图3-4 N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的转移特性曲线
式中的IDO是UGS=2UGS（th）时的ID值。
2. 输出特性曲线（漏极特性曲线）
输出特性是指栅源电压UGS一定，漏极电流ID与漏极电压UDS之间的关系，即
ID=f（UDS）UDS=常数
漏极电流ID与漏极电压UDS之间的关系曲线，称为输出特性曲线。图3-5为N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的输出特性曲线。它也有3个区域：
图3-5 N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的输出特性曲线
①截止区。
指UGS<UGS（th）的区域。由于此时还未形成导电沟道，因此ID≈0。
②可变电阻区。
指UDS较小时与纵轴之间的区域。这时导电沟道已形成，ID随着UDS的增大而增大。由于导电沟道的电阻大小随UGS而变，故称为可变电阻区。
③恒流区-线性放大区。
当UDS增大到脱离可变电阻区时，ID不随UDS的增大而增大，ID趋于恒定值。但ID的大小随UGS的增加而增加，体现了场效应晶体管UGS控制ID的放大作用。
表3-1为各种场效应晶体管的特性比较。
表3-1 各种场效应晶体管的特性比较
3.1.3 场效应晶体管的主要参数
1.开启电压UGS（th）、夹断电压UGS（off）
这是指UDS等于某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电流时的栅、源之间的电压UGS。对于增强型MOS管称为开启电压UGS（th）；对于耗尽型MOS管称为夹断电压UGS（off）。
2.跨导gm
跨导gm是表示栅源电压对漏极电流控制作用大小的参数，也是表示场效应晶体管放大能力的参数。它的数值等于UDS为定值时，漏极电流ID的变化量ΔID与引起这个变化的栅源电压UGS的变化量ΔUGS的比值，即
跨导的单位为mA/V，即mS（毫西门子）。
3.饱和漏极电流IDSS
饱和漏极电流IDSS是指耗尽型MOS管在UGS=0时，外加的漏极电压使MOS管工作在恒流区时，对应的漏极电流。
4.直流输入电阻RGS
直流输入电阻RGS是指UDS一定值时，栅源之间的直流电阻。因为MOS管栅、源极之间存在SiO2绝缘层，故RGS数值很大，一般可达109～1014Ω。
5.击穿电压U（BR）GS
击穿电压U（BR）GS是指管子发生击穿，ID急剧上升时的UDS值，使用时UGS<U（BR）GS。