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4.场效应管晶体管及其电路4.1场效应管1.场效应管（FET）的特点场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件。其特点是控制端基本上不需要电流，属电压控制器件。它在工作过程中起主要导电作用的是多数载流子，而在半导体三极管的工作过程中，管子内部的多数载流子和少数载流子都起着导电作用。据此，又称场效应管为单极型晶体管，称半导体三极管为双极型晶体管。2.场效应管分类按结构和控制电场的形式不同，场效应管分为结型和绝缘栅型；按工作方式，又分为增强型和耗尽型。由于结构和工作原理的特点，结型场效应管只有耗尽型；按导电沟道掺杂类型不同，可分为N沟道和P沟道。4.1场效应管场效应管（FET）结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（IGFET）增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道4.2结型场效应管3.结型场效应管的结构在一块N型半导体材料两边，扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。两边P+型区引出两个电极并联在一起称为栅极g，在N型本体材料的两端个引出一个电极，分别为源极s和漏极d。相当于晶体管的基极、发射极和集电极。两个PN结中间的N型区域称为导电沟。这就是N型沟道结型场效应管。耗尽层P+P+N○○○••dgs○○○gds结构示意图代表符号3.结型场效应管的结构按照类似的方法，可以制成P沟道结型场效应管。耗尽层N+N+P○○○••dgs○○○gds○○○金属铝sgd栅极源极漏极P+N+N+型衬底P+P型导电沟道耗尽层氧化层P沟道结型场效应管结构剖面图4.2结型场效应管图2-764.结型场效应管的工作原理以N沟道结型场效应管为例(1)当vDS=0时，若0≥vGSVP（栅极对应的夹断电压），|vGS|增加使PN结耗尽层宽度增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，导电能力减弱；P+P+NsgdgP+P+Nsgdg○○VGS+–4.2结型场效应管4.结型场效应管的工作原理若vGS≤VP,上、下耗尽层彼此相遇，导电沟道消失，称为“夹断”P+P+Nsgdg○○VGS+–4.2结型场效应管(2)当vGS=0时，vDS的变化也可以改变沟道的宽度和漏极电流iD。若0≤vDS|VP|时，iD从漏极D流入，经沟道从源极S流出，故越靠近漏极，耗尽层两边的反向偏压值越大，沟道的宽度越窄。在这种情况下，随着vDS的增大，iD几乎呈线性增加，场效应管工作于可变电阻区；而当vDS≥|VP|时，在最右端靠近漏极处首先出现上、下耗尽层几乎相遇，称为“预夹断”，并随着的vDS增大，预夹断区往左扩展，沟道电阻明显增大，使iD几乎不再增加，如同漏极电流已饱和，管子工作在恒流区，即饱和区或放大区。P+P+sgdg○○VDS+–•NP+P+sgdg○○VDS+–•N(3)当0≥vGSVP，vDS≥0时，两者均起着影响沟道宽度的作用，对iD有控制作用。vDG|VP|时，场效应管工作于可变电阻区；vDG≥|VP|时，沟道出现预夹断，场效应管工作于放大区。(4)当vGS≤VP，vDS≥0时，即使在栅极与沟道间反向电压最小处（即靠近源极处），反向电压已达到或超过了|VP|，故沟道全部夹断，iD=0，场效应管工作于截止区。P+P+sgdg○○VDS+–•N○○VGS+–图2-775.绝缘栅型场效应管的结构N沟道增强型MOSFET以一块掺杂浓度较低，电阻率较高的P型半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及N+型区的表面上分别安置三个铝电极——栅极g、源极s和漏极d，就成了N沟道MOS管。由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。4.3绝缘栅型场效应管○○○gds○衬底○○○gds○衬底○○○铝栅极g源极s漏极dB衬底引线P型硅衬底耗尽层铝○N+N+SiO2绝缘层纵剖面图N沟道增强型符号N沟道耗尽型符号6.绝缘栅型场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管多采用金属铝作栅极，用SiO2作为栅极与半导体间的绝缘层，这种管子称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管，缩写为MOSFET，简称为MOS管。下面以N沟道为例，讨论其工作原理。增强型MOSFET：(1)当vDS=0，0≤vGSVT时，SiO2绝缘层中有垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场，它排斥空穴而在栅极处的SiO2层下形成耗尽层。N+N+SGDSiO2耗尽层PBVGS•(2)当vDS=0，vGS≥VT时，绝缘层中的电场强度随vGS增大而增强，已能吸引衬底P型半导体中的足够多的少子，形成反型层，它连接源极和漏极的N+半导体，建立导电沟道。N+N+SGDSiO2耗尽层PBVGS反型层(导电沟道)•N+N+SGDSiO2PBVGSVDS–+•(3)当vDS0，vGS≥VT时，沟道从左道右，栅极与沟道间电压不一样，沟道宽度也不同。当vGDVT时，管子工作于可变电阻区；当vGD≤VT(即vGD≥vGS–VT)时，靠近漏极处沟道出现预夹断，且随着vDS的进一步增大，预夹断区往源极延伸，管子工作于恒流区。(4)当vDS0，vGSVT时，沟道全夹断，iD=0，管子工作于截止区。当vGS≤VP时，沟道全夹断，管子工作于截止区。管子沟道产生预夹断时vGD≤VP，即vGD≥vGS–VP。(2)由于栅极与衬底之间有绝缘层，所以耗尽型MOSFET的vGS可“正”、可“负”。这一点不同于结型场效应管（也属耗尽型），因为结型场效应管的vGS极性必须保证使栅极与沟道间的PN结为反向偏置，所以N沟道结型场效应管的vGS不能大于零，而P沟道结型场效应管的vGS不能小于零。sgdSiO2耗尽层P衬底引线N型沟道°°°°++++++++++N+N+耗尽型MOSFET：(1)耗尽型MOSFET在制造时，已经在栅极下的SiO2绝缘层中，掺入一定数量的正离子（P沟道为负离子），它也产生垂直指向衬底的电场，故在0vGSVP（N沟道的VP为负值）情况下，已有导电沟道，工作原理如同增强型在vGSVP时的一样。