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1、如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难 度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可 能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。场效应管的结构场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管 制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方 面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负 载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。结型场效应管的结构结型场效应
2、管又叫JFET，只有耗尽型。这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型 场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在 它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个 PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果 在漏极及源极之间加上电压uDs，就有电流流过，id将随uds的增大而增大。如果给管子加上负偏差 UGS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似 于绝缘体，反向偏压
3、越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到 了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。耗尽区漏极(D)拥极注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏量没有加上，此时ID是最大的。特点：1, GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大2 : DS也是导通特性，阻抗比较大3 : GS工作在反向偏置的状态.4 : DS极完全对称，可以反用，即D当做S,S当做D。从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源 极相当于发射极，漏
4、极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型 场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。M沟结构F沟结构箭头的方向仍然是PN结正向导通的方向。绝缘栅场效应管MOSFET结型虽然电压控制方式，但是仍然有少子的飘移形成电流。绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全 绝缘，所以叫绝缘栅场效应管。绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和 耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分，N沟道又叫PMOS管，P沟道又叫NMOS管。不 象双极型晶体管只有NPN和PNP两类，场效应晶体管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相 同，所以下面以增强型N
5、沟道场效应晶体管为例来加以说明。绝缘栅型场效应三极管MOSFET ( Metal OxideSemiconductor FET)。分为增强型-N沟道、P沟道耗尽型r N沟道、P沟道N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；GDQQS(Source)为源极，相当e。胴道箭头向里衬底断开B(衬底断开是是指两个N区没有相连。如果两个相连，靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽 型)制作过程:用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。取一块P型半导体作为衬底，用B表示。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。（绿色部分）扩散两个高掺杂的N型区
6、。从而形成两个PN结。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。层金属铝作为栅极G。DDN沟道增强型MOSFET的符号如图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。（衬底在内部与源极相连，所以绝缘栅MOSFET的D、S极是不能互换的箭头的方向仍然是 衬底和S极和D极的PN结方向，而栅极没有半导体，只是电容器的一个极板而结型的箭头是栅 极向S极和D极的PN结方向，这就是为什么同样是N沟道，结型和绝缘栅型的箭头方向相反。）2 N沟道增强型MOSFET的工作原理对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是
7、栅源电压Ugs对沟 道会产生影响，二是漏源电压uds也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。1）.栅源电压ugs的控制作用空穴弓W王离于负离二先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离 子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。（注：耗尽层的载流子减少，导电能力变差）同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成 导电沟道。显然改变UGS就会改变沟道，从而影响id，这说明UGS对ID的控制作用。当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS，也不能形
8、成ID。当增加UGS，使ID刚刚 出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS（th）或UT表示。沟道中的电子和？型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上U就会有漏极电流ID产生。2）.漏源电压Uds的控制作用显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后，UDS将沿漏到源逐 渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形 成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。当uds进一步增加时，ID会不断增加，同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态 称为预夹断。P型衬底口 Ci也空六二=正离=负离二当UDS进一步增加
9、时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本 上降落在夹断区。3 N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线。1）转移特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示，它是说明栅源电压Ugs对漏极电流ID的控 制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm称为跨导。这是场效应三 极管的一个重要参数。AIgm =TUDGSDgconst单位 mS ( mA/V)2)漏极输出特性曲线当Ugs UGS(th)，且固定为某一值时，
10、反映Uds对1D的影响，即=叫9 I U=const这关 系曲线称为漏极漏极输出特性曲线。玲mA场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲线 上可以看出uds对id的影响很小。但是改变ugs可以明显改变漏极电流ID，这就意味着输入电压对 输出电流的控制作用。截止区曲线分五个区域:(1)可变电阻区(2 )恒流区(放大区)(3 )截止区(4 )击穿区(5 )过损耗区从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下:当Ugs=0时，对应的漏极电流用IDSS表示。当Ugs 0时，将使ID进一步增加。(注：正4 N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET的结构和符
11、号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定 量的正离子。所以当ugs=0时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压, 就有漏极电流存在。符号UGS(off)表示，有时也用Up表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如上图所示。P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电 电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。关于场效应管符号的说明：DD结没层 道。号 构管绝 N型有N沟道增强表示衬底N构道耗型管，在内部投尽型衬底箭头向有与源极管。漏、衬底和源 不断开表
12、 示零栅压 时陶道已 经注通.里。漏、衬 连接,底和源、分开，表示零栅压时构道不通。如果昙P佝道，箭头则向外:这都是从讲的比较好的文章中摘录下来的，结型的管子道理好理解，而mos管，大多数的讲解 都如此，不能让人理解。首先我们看一下太阳能电池，太阳能电池实际就是一个PN结。由于PN结的掺杂性，会在内部 形成一个电势差。通常正向导通需要0.40.7伏的电压就是克服内电场的。硅管和锗管的电压不同。而反接的时候，在没有击穿的时候，相当于一个电容器，充满电就不能导电了。变容二极管就 是这种运用。而在太阳能电池里面，PN结是当电池使用，在电池的外部，P区的电子会通过电阻到N区和正电荷中和，这种作用会使P
13、N结电压降低。而 扩散又会使PN结的电压升高。当达到平衡时，会形成恒定的电流。从能量的角度，PN结从外面吸 收能量，转化为电能，电能又通过电阻转化为热能。当场管没有加任何电压时，D极和S极有两个完全相同的PN结，这时N区的电势会比P区高, 当，场管在内部把S极和衬底相连时，PN结绝对不会消失，因为PN结电压很小，实际测量只有几 毫伏。这时导线可以看成一个小电阻，不能忽略。但可以使PN结电压降低，此时D、S两极的PN当给S极和G极加上正向电压的时候，P材料和N材料就和G极构成一个电容器，由于充电效 应，栅极带正电，下面相对的N型和P型材料表面就构成另一个极板，都带负电，这样整个表面就 成了一个等
14、势面。从而使两个N连在一起了。但是由于PN结的存在，P衬底和N绝对不会电势相等，这样由于电场的作用，就把P衬底分成 两个区。当VGS很小时，虽然连在一起，但是并不能形成ID，因为这些负电荷被原子核吸附住了。并不 能自由移动。同样在PN结之间形成的耗尽层，里面的载流子也很少，只有当VGS增加到一定的程 度，下面等势面宽度变宽，负电荷增多，且有可以自由移动的电荷时，才会形成有效的电流，这就 是开启电压，所以VGS能起到控制电流的作用。我们来看一下，电容器的情况，当把一个金属块放在两个电容中间时，出现的情况。+ + + 4- + +十十十十+十此时的MOS管正是这种情况。当再DS之间加上电压时，电流
15、流过负极板这一层，会形成电压降。使得负极板各处的电压不相 等。我们可以等效为这种情况。把下表面看成一小块一小块的。H这样越靠近S极，两板的电势差越大，充电就越多，导电区域就越宽。反之越靠近D极，两板 的电势差越小，充电就越少，导电区域就越窄。下面的耗尽层这时我们不作讨论。当ID增加到一定值时，靠近D极的一端会出现电势相等的情况，那么下表面不会感应出负电荷,出现沟道断开的现象，这就是预夹断。N+ -+ + + + -当ID继续增加，就出现完全夹断的情况。当理解了 MOS管的工作原理之后，其它知识就可以循序渐进的进行学习和理解了，不管这种解 释是否合理，至少是让人容易理解理解了 MOS管的工作原理。由于结构不一样，测量时也不
