绝缘栅型场效应管的结构、特性、参数

本文介绍的定义

绝缘栅型场效应管、N沟道增强型MOS场效应管、耗尽型场效应管、增强型场效应管、反型层、开启电压、预夹断、夹断区、输出特性、转移特性、N沟道耗尽型MOS场效应管、夹断电压。

一、N沟道增强型MOS场效应管结构

之前介绍了结型场效应管，栅极和导电沟道之间PN结被反向偏置，栅极基本不取电流，输入电阻很高可达10^7欧姆，如果要得到更高输入电阻，可以采用绝缘栅型场效应管。

绝缘栅型场效应管：由金属、氧化物、半导体制成，称为Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOS场效应管。它的栅极被绝缘层(SiO2)隔离，输入电阻更高。绝缘栅型场效应管有N沟道和P沟道，可以分为增强型和耗尽型，本文介绍N沟道增强型MOS场效应管。

N沟道增强型MOS场效应管：结构图如下图所示，掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，表面覆盖一层SiO2的绝缘层，在SiO2层上刻出两个窗口，扩散形成两高掺杂N区，引出源极s、漏极d，在源极漏极之间的二氧化硅上引出栅极。衬底也引出一根引线B。

结型场效应管利用Ugs控制PN结耗尽层宽窄，改变导电沟道宽度，控制漏极电流Id。

绝缘栅型场效应管利用Ugs控制感应电荷多少，改变这些感应电荷形成的导电沟道形状，控制漏极电流Id。

耗尽型场效应管、增强型场效应管：Ugs=0时，漏源之间已存在导电沟道，称为耗尽型场效应管；Ugs=0时，漏源之间不存在导电沟道，称为增强型场效应管。

假设Uds=0，Ugs>0。栅极电压为正，吸引P区少子电子到靠近二氧化硅一侧与空穴复合，产生负离子组成的耗尽层。增大Ugs，耗尽层变宽，增大到一定值，吸引电子足够多（P区的少子电子浓度低，表面负电荷主要从源极和漏极N区得到），那么，耗尽层与二氧化硅之间形成可移动的表面电荷层。如下图所示。P型半导体中感应出N型电荷层，称为反型层。漏极d和源极s之间形成N型导电沟道。形成反型层所需Ugs称为开启电压，用Ugsth表示，随着Ugs升高，导电沟道变宽，由于Uds=0，Id=0 。

假设，Ugs是大于Ugsth的固定值，在漏极d源极s之间加上正电压Uds，Uds<Ugs-Ugsth。由于漏源之间存在导电沟道，将产生电流Id，Id经过导电沟道，产生电压降，沟道个点电位不同，靠近漏极d处电位最高，栅漏电位差Ugd=Ugs-Uds最小，导电沟道最窄，沟道靠近源极电位最低，栅源电位差最大，导电沟道最宽，如下图a所示。

Uds增大，Id增大，导电沟道宽度更加不均匀，Uds增大到Uds=Ugs-Ugsth，也就是当Ugd=Ugsth时，靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断现象。

继续增大Uds，夹断区延长，由于夹断区沟道电阻很大，Uds逐渐增大时，增加的Uds几乎都降到夹断区了，导电沟道两端电压几乎没有增大，Id也基本不变。

二、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线

输出特性、转移特性如图所示。

输出特性，分为三个区，可变电阻区、恒流区、截至区。可变电阻区和恒流区间虚线表示预夹断轨迹。虚线和输出特性曲线交点满足：Ugd=Ugs-Uds=Ugsth。

转移特性，Ugs<Ugsth时，未形成导电沟道，Id为0 。Ugs=Ugsth时，开始形成导电沟道，产生Id，随Ugs增大，沟道变宽，沟道电阻减小，Id增大。

三、N沟道耗尽型MOS场效应管结构和特性曲线

对于N沟道增强型MOS场效应管，当Ugs>Ugsth，漏极和源极之间才存在导电沟道。

耗尽型的MOS场效应管，由于在二氧化硅绝缘层掺入大量正离子，即使Ugs=0，正离子产生的电场也能感应出足够负电荷形成反型层，产生N型导电沟道。Uds>0时，将有较大漏极电流。

如果Ugs<0，栅极接到电源负端，电场将削弱原先的正离子电场，感应电荷减少，N型沟道变窄，Id减小，Ugs更负，导电沟道消失，Id=0 。使Id=0的Ugs称为夹断电压，用Ugsoff表示。

和N沟道增强型MOS场效应管不同之处，耗尽型MOS场效应管允许Ugs>0 。此时导电沟道更宽，Id更大。

特性曲线如下图所示。