絕緣柵場效應管(IGFET) 的基本知識

1.增強型NMOS管

s：Source 源極，d：Drain 漏極，g：Gate 柵極，B：Base 襯底，在P型襯底擴散上2個N 區(qū)，P型表面加SiO2絕緣層，在N 區(qū)加鋁線引出電極。

2.增強型PMOS管

在N型襯底上擴散上2個P 區(qū)，P型表面加SiO2絕緣層，在二個P 區(qū)加鋁線引出電極。PMOS與NMOS管的工作原理完全相同，只是電流和電壓方向不同。

3.增強型NMOS管的工作原理

正常工作時外加電源電壓的配置：

(1)VGS=0, VDS=0：漏源間是兩個背靠背串聯(lián)的PN結(jié)，所以d-s間不可能有電流流過，即iD≈0。

(2)當VGS＞0，VDS=0時：d-s之間便開始形成導電溝道。 開始形成導電溝道所需的最小電壓稱為開啟電壓VGS(th)(習慣上常表示為VT)。

溝道形成過程作如下解釋：此時，在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個垂直電場(方向為由柵極指向襯底)，它使漏-源之間的P型硅表面感應出電子層(反型層)使兩個N 區(qū)溝通，形成N型導電溝道。如果，此時再加上VDS電壓，將會產(chǎn)生漏極電流iD。當VGS＝0時沒有導電溝道，而當VGS 增強到＞VT時才形成溝道，所以稱為增強型MOS管。并且VGS越大，感應電子層越厚，導電溝道越厚，等效溝道電阻越小，iD越大。

(3)當VGS>VT，VDS>0后， 漏-源電壓VDS產(chǎn)生橫向電場：由于溝道電阻的存在，iD沿溝道方向所產(chǎn)生的電壓降使溝道上的電場產(chǎn)生不均勻分布。近s端電壓差較高，為VGS；近d端電壓差較低，為VGD＝VGS-VDS，所以溝道的形狀呈楔形分布。

1)當VDS較小時：VDS對導電溝道的影響不大，溝道主要受VGS控制， 所以VGS為定值時，溝道電阻保持不變，iD隨VDS 增加而線性增加。此時，柵漏間的電壓大于開啟電壓，溝道尚未夾斷，。

2)當VDS增加到VGS-VDS＝VT時(即VDS＝VGS-VT)：柵漏電壓為開啟電壓時，漏極端的感應層消失，溝道被夾斷，稱為“預夾斷”。

3)當VDS再增加時(即VDS＞VGS-VT或VGD=VGS-VDS<VT)：iD將不再增加而基本保持不變。因為VDS再增加時，近漏端上的預夾斷點向s極延伸，使VDS的增加部分降落在預夾斷區(qū)，以維持iD的大小，。

伏安特性與電流方程：

(1) 增強型NMOS管的轉(zhuǎn)移特性：在一定VDS下，柵-源電壓VGS與漏極電流iD之間的關(guān)系：

IDO是VGS=2VT時的漏極電流。

(2) 輸出特性(漏極特性)

表示漏極電流iD漏-源電壓VDS之間的關(guān)系：。

與三極管的特性相似，也可分為3個區(qū)：可變電阻區(qū)，放大區(qū)(恒流區(qū)、飽和區(qū))， 截止區(qū)(夾斷區(qū))?？勺冸娮鑵^(qū)管子導通，但溝道尚未預夾斷，即滿足的條件為：。在可變電阻區(qū)iD僅受VGS的控制，而且隨VDS增大而線性增大?？赡M為受VGS控制的壓控電阻RDS，。放大區(qū)(溝道被預夾斷后)，又稱恒流區(qū)、飽和區(qū)。條件是：。特征是iD主要受VGS控制，與VDS幾乎無關(guān)，表現(xiàn)為較好的恒流特性。 夾斷區(qū)又稱截止區(qū)，管子沒有導電溝道( VGS＜VT )時的狀態(tài)，。

4.耗盡型NMOS管

在制造過程中，人為地在柵極下方的SiO2絕緣層中埋入了大量的K (鉀)或Na (鈉)等正離子 ；VGS=0，靠正離子作用，使P型襯底表面感應出N型反型層，將兩個N 區(qū)連通，形成原始的N型導電溝道；VDS一定，外加正柵壓(VGS＞0)，導電溝道變厚，溝道等效電阻下降，漏極電流iD增大； 外加負柵壓VGS＜0)時，溝道變薄，溝道電阻增大，iD減??；VGS負到某一定值VGS(off)(常以VP表示，稱為夾斷電壓)，導電溝道消失，整個溝道被夾斷，iD≈0，管子截止 。

耗盡型NMOS的伏安特性：

放大區(qū)的電流方程：，IDSS為飽和漏極電流，是VGS=0時耗盡型MOS管的漏極電流。

二、結(jié)型場效應管(JFET)

結(jié)構(gòu)與符號：

在N區(qū)兩側(cè)擴散兩個P＋區(qū)，形成兩個PN結(jié)。兩個P＋區(qū)相連，引出柵極g。N體的上下兩端分別引出漏極d和源極s。

導電原理：

(1)VGS＝0時，N型棒體導電溝道最寬(N型區(qū))。有了VDS后，溝道中的電流最大。

(2)VGS＜0時，耗盡層加寬(主要向溝道一測加寬)，并向溝道中間延伸，溝道變窄。

當VGS＜VP(稱為夾斷電壓)時，二個耗盡層增大到相遇，溝道消失，這時稱溝道夾斷，溝道中的載流子被耗盡。若有VDS電壓時，溝道電流也為零。所以屬于耗盡型FET，原理和特性與耗盡型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作時，兩個PN結(jié)必須反偏，如對N溝道JFET，要求VGS≤0。

加上負VGS電壓和VDS電壓以后，VGD的負壓比VGS大，所以，二個反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)變得上寬下窄，使溝道形成楔形。

JFET通過VGS改變半導體內(nèi)耗盡層厚度(溝道的截面積)控制iD，稱為體內(nèi)場效應器件；MOSFET主要通過改變襯底表層溝道的厚度來控制iD，稱為表面場效應器件。

JFET的伏安特性(以N溝道JFET為例)：伏安特性曲線和電流方程與耗盡型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。

三、場效應管的主要參數(shù)

1.直流參數(shù)

開啟電壓VT： 增強型管的參數(shù)；夾斷電壓VP：耗盡型管的參數(shù)；飽和漏極電流IDSS： 指耗盡型管在VGS=0時的漏極電流；輸入電阻 RGS(DC)：因iG=0，所以輸入電阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于1012Ω。

2.交流參數(shù)

低頻跨導(互導)gm：，跨導gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，且與工作點有關(guān)，是轉(zhuǎn)移特性曲線上過Q點切線的斜率。gm的單位是mS；交流輸出電阻rds：，rds反映了漏源電壓對漏極電流的影響程度，在恒流區(qū)內(nèi)，是輸出特性曲線上過Q點的切線斜率的倒數(shù)。其值一般為若幾十kΩ。

3.極限參數(shù)

最大漏-源電壓V(BR)DS ：漏極附近發(fā)生雪崩擊穿時的VDS；最大柵-源電壓V(BR)GS ： 柵極與源極間PN結(jié)的反向擊穿電壓；最大耗散功率PDM：同三極管的PCM相似，當超過PDM時，管子可能燒壞。