场效应晶体管(2)

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1、概述　　场效应晶体管：英文名称为FieldEffectTransistor，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

2、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

3、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Vg

4、s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

5、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

6、。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-

7、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

8、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