3.1 场效应晶体管

第2章介绍的半导体晶体管是一种电流控制型器件，由于它靠半导体中的两种载流子——自由电子和空穴导电，所以又称为双极型晶体管。而场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是一种电压控制型器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，故又称为单极型晶体管。由于场效应晶体管具有体积小、噪声低、稳定性好、制造工艺简单、易于集成等特点，所以目前被广泛地用于大规模集成电路的制造。

场效应晶体管按结构分为绝缘栅型场效应晶体管（Insulated Gate Field Effect Transistor，IGFET）和结型场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor，JFET）。根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应晶体管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO₂）为绝缘层，称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），简称MOS管。这种场效应晶体管输入电阻约为10⁸~10¹⁰Ω，高的可达10¹⁵Ω，并且制造工艺简单，便于集成。

MOSFET又分为N沟道和P沟道两种类型，每类根据工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型。本节将对场效应晶体管的结构、工作原理、特性及主要参数进行介绍。

3.1.1 绝缘栅型场效应晶体管

1.N沟道增强型MOSFET

（1）结构和符号

N沟道增强型MOSFET的结构示意图如图3-1a所示。它以一块掺杂浓度较低的P型硅片为衬底，利用扩散工艺在衬底的上边制作两个高掺杂的N⁺型区，在两个N⁺型区表面喷上一层金属铝，引出两个电极，分别称为源极s和漏极d，然后在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在两个N⁺型区之间的绝缘层表面也喷上一层金属铝，引出一个电极称为栅极g。在衬底底部引出引线B，通常衬底与源极接在一起使用。这样栅极-SiO₂绝缘层-衬底形成一个平板电容器，通过控制栅源电压改变衬底中靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流。这种在栅极与其他电极之间用一绝缘层隔开的管子称为绝缘栅型场效应晶体管。所谓增强型就是在u_GS=0时，没有导电沟道，i_D=0。N沟道增强型MOSFET和P沟道增强型MOSFET的电路符号如图3-1b、c所示。漏-源之间用断续线表示增强型，衬底B上的箭头方向是PN结正向偏置时的正向电流方向。箭头指向管内表示衬底为P型半导体的N沟道MOSFET，箭头指向管外表示衬底为N型半导体的P沟道MOSFET。下面以N沟道MOS管为例来讨论其工作原理和特性。

（2）工作原理

正常工作时，N沟道MOSFET的栅源电压u_GS和漏源电压u_DS均为正值。

当u_GS=0时，漏-源之间是两个背靠背的PN结，不存在导电沟道。此时，即使漏-源之间加上正电压，也肯定是一个PN结导通，一个PN截止。因此不会有漏极电流i_D。

当u_DS=0且u_GS>0时，由于SiO₂绝缘层的作用，栅极电流为零。但是作为平板电容器，在SiO₂绝缘层中产生一个由栅极指向衬底的电场，该电场排斥栅极附近P型衬底的空穴，使之剩下了不能移动的负离子区，形成耗尽层；同时把P型衬底内的少子电子吸引到衬底表面，如图3-2a所示；随着u_GS增大，一方面耗尽层加宽，另一方面被吸引到衬底表面的电子增多，当u_GS增大到一定数值时，在衬底表面形成了一个电子薄层，称为反型层，如图3-2b所示。这个反型层将两个N⁺型区相连，成为漏-源之间的导电沟道。通常将开始形成反型层所需的u_GS值称为开启电压U_GS(th)。u_GS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

当u_GS>U_GS(th)后，若在漏-源之间加正向电压，将有漏极电流i_D产生。当u_DS较小时，i_D随u_DS的增大而线性上升。由于沟道存在电位梯度，从漏极到源极电位逐渐降低，因此加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道变化，u_GD=u_GS-u_DS，则靠近源端的电压最大，其值为u_GS，相应沟道最深；靠近漏端电压最小，相应沟道最浅，如图3-2c所示。当u_DS增大到一定数值时，即u_GD=u_GS-u_DS=U_GS(th)时，近漏端的反型层消失，沟道在A点被夹断，称为预夹断，如图3-2d所示。由u_GD=u_GS-u_DS=U_GS(th)有

式（3-1）是预夹断的临界条件，即可变电阻区和饱和区的分界点。如果u_DS继续增大，夹断区域延长，如图3-2e所示。以后，由于u_DS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，所以i_D几乎不随u_DS的增大而变化，管子进入恒流区，i_D基本上由u_GS控制。

（3）输出特性曲线

输出特性曲线是指在栅源电压U_GS为某一固定值时，漏极电流i_D与漏源电压u_DS之间的关系曲线，即

对应于一个u_GS，就有一条输出曲线，因此输出特性曲线是一特性曲线族。N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线如3-3a所示。图中将各条曲线上u_DS=u_GS-U_GS(off)的点连成一条虚线，该虚线为预夹断轨迹。

整个输出特性曲线可划分为以下4个区。

1）可变电阻区。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区。它是在u_DS较小时，导电沟道没有产生预夹断时所对应的区域。其特点是：u_GS不变，i_D随u_DS增大而线性上升，场效应晶体管漏源之间可看成一个线性电阻。改变u_GS，特性曲线的斜率改变，即线性电阻的阻值改变，所以该区域可视为一个受u_GS控制的可变电阻区。

2）饱和区。饱和区又称为放大区或恒流区。它是在u_DS较大，使导电沟道产生预夹断以后所对应的区域，所以在预夹断轨迹的右边区域。其特点是：u_GS不变，i_D随u_DS增大仅仅略有增加，曲线近似为水平线，具有恒流特性。取u_GS为不同值时，特性曲线是一族平行线。因此，在该区域i_D可视为一个受电压u_GS控制的电流源。

3）截止区。当u_GS<u_GS(th)时，无导电沟道，i_D≈0，场效应晶体管处于截止状态，即图3-3a中靠近横轴的区域。

4）击穿区。击穿区是当u_DS增大到一定数值以后，i_D迅速上升所对应的区域。它是由于加在沟道中的电压太高，使栅漏间的PN结发生雪崩击穿而造成电流i_D迅速增大。栅漏击穿电压记为U_（BR）GD。通常不允许场效应晶体管工作在击穿区，否则管子将损坏。一般把开始出现击穿的u_DS值称为漏源击穿电压，记为U_（BR）DS，U_（BR）DS=u_GS-U_（BR）GD。

（4）转移特性曲线

由于场效应晶体管栅极输入电流近似为零，所以讨论输入特性是没有意义的。但是，场效应晶体管是一种电压控制型器件，其栅源电压u_GS可以控制漏极电流i_D，故讨论u_GS和i_D之间的关系可以研究电压对电流的控制作用。所谓转移特性曲线就是在漏源电压U_DS为一固定值时，漏极电流和栅源电压之间的关系曲线，即

转移特性曲线可以根据输出特性曲线求得。在输出特性曲线的饱和区中作一条垂直于横轴的垂线，如图3-3b所示。该垂线与各条输出特性曲线的交点表示场效应晶体管在U_DS一定的条件下i_D与u_GS关系。把各交点的i_D与u_GS值画在i_D-u_GS的直角坐标系中，连接各点便得到转移特性曲线。

转移特性可近似地表示为

式中，I_DO是u_GS=2U_GS(th)时的i_D。

P沟道增强型MOSFET与N沟道增强型MOFET的工作原理相似，这里不再赘述。

2.N沟道耗尽型MOSFET

所谓耗尽型就是当u_GS=0时，存在导电沟道，i_D≠0。在制造MOSFET时，如果预先在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，那么即使u_GS=0，在正离子的作用下，P型衬底表层也会被感应出反型层，形成N沟道，并与两个N⁺型区——源区和漏区连接在一起，如图3-4a所示。只要在漏-源之间加正向电压就会产生漏极电流i_D。

如果在栅-源之间加正电压，u_GS所产生的外电场增强了正离子所产生的电场，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，i_D增大；如果在栅-源之间加负电压，u_GS所产生的外电场削弱了正离子所产生的电场，吸引自由电子数量少，沟道变窄，沟道电阻变大，i_D减小；当u_GS负到一定值时，导电沟道消失，i_D=0，此时的u_GS值称为夹断电压U_GS(off)。可见耗尽型MOSFET的栅源电压u_GS可正、可负，改变u_GS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流i_D。由于这种管子的栅极和源极是绝缘的，所以栅极基本上无电流。

耗尽型MOSFET的电路符号如图3-4b、c所示。

N沟道耗尽型场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线如图3-5所示。

在工程计算中，饱和区里i_D与u_GS关系可用转移特性方程来描述，即

式中，I_DSS是u_GS=0时的漏极电流，常称为饱和漏极电流。U_GS(off)为夹断电压。

3.P沟道MOSFET

与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压，当u_GS<U_GS(th)时导电沟道才存在，管子导通，所以开启电压U_GS(th)<0；P沟道耗尽型MOSFET的栅源电压u_GS可为正或负值，夹断电压U_GS(off)>0，改变u_GS可实现对漏极电流i_D的控制。

3.1.2 结型场效应晶体管

1.结构和符号

结型场效应晶体管又分为N沟道JFET和P沟道JFET。在一块N型半导体两侧制作两个高掺杂的P型区，形成两个P⁺N结。将两个P型区连在一起，引出一个电极称为栅极g，在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为漏极d和源极s，两个P⁺N结中间的N型区域称为导电沟道，故该结构是N沟道JFET。N沟道JFET的结构示意图和电路符号如图3-6a、b所示，符号上的箭头方向表示栅源之间P⁺N结正向偏置时，栅极电流的方向由P指向N。

若在一块P型半导体两侧制作两个高掺杂的N型区，则可构成P沟道JFET。其电路符号如图3-6c所示。

2.工作原理

JFET正常工作时，JFET的PN结必须加反偏电压。对于N沟道的JFET，在栅极和源极之间应加负电压（即栅源电压u_GS<0），使P⁺N结处于反向偏置，随着栅源电压u_GS变化，两个P⁺N结的加宽，即耗尽层的宽度发生变化，导电沟道也跟着变化；在漏极和源极加正电压（即漏源电压u_DS>0），以形成漏极电流i_D。

（1）u_GS对导电沟道的控制作用

令u_DS=0，即将漏极和源极短接，此时N沟道宽度仅受栅源电压u_GS的影响。

当u_DS=0，且u_GS=0时，P⁺N结耗尽层最窄，导电沟道最宽。如图3-7a所示。

当|u_GS|增大时，反向电压加大，耗尽层加宽，导电沟道变窄，如图3-7b所示，沟道电阻增大。当|u_GS|增大到一定数值时，沟道两侧的耗尽层相碰，导电沟道消失，如图3-7c所示，沟道电阻趋于无穷大，称此时的u_GS为夹断电压，记作U_GS（off）。N沟道的夹断电压U_GS(off)是一个负值。

（2）u_DS对i_D的影响

当u_GS一定时，若u_DS=0，虽然存在导电沟道，但是多数载流子不会产生定向移动，所以漏极电流i_D为零。

当加上漏源电压u_DS后，多数载流子，即自由电子在导电沟道上定向移动，形成了漏极电流i_D，同时在导电沟道上产生了由漏极到源极的电压降。这样从漏极到源极的不同位置上，栅极与沟道之间的P⁺N结上所加的反向偏置电压是不等的，靠近漏端的P⁺N结上，反偏电压u_GD=u_GS-u_DS最大，耗尽层最宽，沟道最窄；靠近源端的P⁺N结上，反偏电压u_GS最小，耗尽层最窄，沟道最宽，导电沟道呈楔形。如图3-8a所示，由图可见，由于u_DS的影响，导电沟道的宽度由漏极到源极逐渐变宽，沟道电阻逐渐减小。

在u_DS较小时，沟道靠近漏端的宽度仍然较大，沟道电阻对漏极电流i_D的影响较小，漏极电流i_D随u_DS的增大而线性增加，漏-源之间呈电阻特性。随着u_DS的增大，靠近漏端的耗尽层加宽，沟道变窄，如图3-8b所示，沟道电阻增大，i_D随u_DS的增大而缓慢地增加。

当u_DS的增加使得u_GD=u_GS-u_DS=U_GS(off)，即u_DS=u_GS-U_GS(off)时，靠近漏端两边的P⁺N结在沟道中A点相碰，这种情况称为预夹断，如图3-8c所示。在预夹断处，u_DS仍能克服沟道电阻的阻力，将电子拉过夹断点，形成电流i_D。

当u_DS>u_GS-U_GS(off)以后，相碰的耗尽层扩大，A点向源端移动，如图3-8d所示。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以u_DS>u_GS-U_GS(off)的部分几乎全部降在相碰的耗尽层上，夹断点A与源极之间沟道上的电场基本保持在预夹断时的强度，i_D基本不随u_DS的增加而增大，漏极电流趋于饱和。

若u_DS继续增加，最终将会导致P⁺N结发生反向击穿，漏极电流迅速上升。

综上分析，u_GS和u_DS对导电沟道均有影响，但改变u_GS，P⁺N结的宽度发生改变，整个沟道宽度改变，沟道电阻改变，漏极电流跟着改变，所以漏极电流主要受栅源电压u_GS的控制。

由以上分析可得下述结论。

1）JFET栅极和源极之间的PN结加反向偏置电压，故栅极电流i_G≈0，输入电阻很高。

2）JFET是一种电压控制型器件，改变栅源电压u_GS，漏极电流i_D改变。

3）预夹断前，i_D与u_DS呈线性关系；预夹断后，漏极电流i_D趋于饱和。

P沟道JFET正常工作时，其各电极间电压的极性与N沟道JFET的相反。

3.特性曲线

N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线如图3-9a、b所示。

描述JFET的转移特性曲线仍然是用式（3-5）。

例3-1 耗尽型场效应晶体管共源电路如图3-10所示。已知管子的U_GS(off)=-3V，试分析：（1）U_GS=-5V，U_DS=4V；（2）U_GS=-2V，U_DS=4V；（3）U_GS=1V，U_DS=2V三种情况下，场效应晶体管的工作状态。

解：（1）因为U_GS=-5V<U_GS(off)=-3V，所以N沟道耗尽型FET的导电沟道全部夹断，无论U_DS为任何值，漏极电流i_D=0，故管子工作在截止状态。

（2）因为U_GS=-2V>U_GS(off)=-3V，且预夹断点的漏源电压U_{DS（预夹断）}=U_GS-U_GS(off)=-2V-（-3V）=1V，U_DS=4V大于预夹断处的U_DS值，故管子工作在饱和区。

（3）因为U_GS=1V>U_GS(off)=-3V，且预夹断点的漏源电压U_{DS（预夹断）}=U_GS-U_GS(off)=1V-（-3V）=4V，U_DS=1V小于预夹断处的U_DS值，故管子工作在可变电阻区。

各种MOSFET的特性比较如表3-1所示。

3.1.3 场效应晶体管的主要参数

1.直流参数

1）开启电压U_GS(th)：u_DS为某一固定值，使i_D大于零所需的最小|u_GS|。手册给出的是在i_D为规定的微小电流（如5μA）时的u_GS。它是增强型MOSFET的参数。

2）夹断电压U_GS(off)：实际测试时，u_DS为某一固定值，使i_D等于一个微小电流（如5μA）时的栅源电压u_GS。它是耗尽型MOSFET和JFET的参数。

3）饱和漏极电流I_DSS：指u_GS=0，u_DS大于夹断电压|U_GS(off)|时所对应的漏极电流。

4）直流输入电阻R_GS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应晶体管的栅极几乎不取电流，所以其输入电阻很大。一般MOSFET的R_GS(DC)大于10⁹Ω，JFET的R_GS(DC)大于10⁷Ω。

2.交流参数

1）低频跨导g_m：在管子工作于恒流区且u_DS为常数时，i_D的微变量Δi_D和引起它变化的微变量Δu_GS之比，称为低频跨导，即

它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，g_m越大表示u_GS对i_D的控制能力越强。g_m的单位是S（西门子）或mS。通常情况下它在十分之几至几mS的范围内。

g _m相当于转移特性上工作点的斜率。它的估算值可通过对式（3-4）和式（3-5）求导得到，即

或

2）极间电容：场效应晶体管的三个电极间存在着极间电容。通常栅-源间极间电容C_gs和栅-漏间极间电容C_ds约为1~3pF，而漏-源间极间电容C_ds约为0.1~1pF。它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。

3.极限参数

1）最大耗散功率P_DM：等于u_DS和i_D的乘积，即P_DM=u_DSi_D。P_DM受管子最高温度的限制，当P_DM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。

2）漏源击穿电压U_（BR）DS：管子进入恒流区后，使i_D急剧上升的u_DS值，超过此值，管子会烧坏。

3）栅源击穿电压U_（BR）GS：对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的u_GS值；对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的u_GS值。