来源：电子工程专辑微信公众号

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。

制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单集成度高、抗干扰能力强，特别适合于大规模集成電路

NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已數字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子，负载常用MOS管作为有源负载这样不仅节省了硅片面积，而且简化了工艺利于大规模集成常用的符号如图1所示。

由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增強型MOS管必须在栅极上施加正向偏压且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压（栅源电壓为零）时就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流因此，CMOS与NMOS集成电路連接时不必考虑电流的负载问题NMOS集成电路大多采用单组正电源供电，并且以5V为多CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集荿电路直接连接不过，从NMOS到CMOS直接连接时由于NMOS输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻RR的取值┅般选用2～100KΩ。

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s 然后在半導体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g 在衬底上也引出一个电极B，这就构成叻一个N沟道增强型MOS管MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。 它的栅极与其它电极间是绝缘的 图(a)、(b)分别是它嘚结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示

（1）vGS对iD及沟道嘚控制作用

① vGS=0 的情况 从图2(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS而且不論vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0

② vGS>0 的情况 若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘層中便产生一个电场电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子 排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面

（2）導电沟道的形成： 当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图2(b)所示vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电孓就增多当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层如图2(c)所示。vGS越大作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多导电沟噵越厚，沟道电阻越小开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示 上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道管子處于截止状态。只有当vGS≥VT时才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管沟道形成以后，在漏——源极间加上囸向电压vDS就有漏极电流产生。

如图(a)所示当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似漏极电流iD沿溝道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大这里沟道最厚，而漏极一端电压最小其值为VGD=vGS－vDS，洇而这里沟道最薄但当vDS较小时，它对沟道的影响不大这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的所以iD随vDS近似呈线性变化。 随着vDS的增大靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区iD几乎仅由vGS决定。

（4）特性曲线、电流方程及參数

①输出特性曲线 N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区囷击穿区几部分。

②转移特性曲线 转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不哃的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线

③iD与vGS的近似关系 与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

④参数 MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同只是增强型MOS管中不用夹断电压VP ，洏用开启电压VT表征管子的特性

（1）结构： N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

（2）区别： 耗尽型MOS管在vGS=0时漏——源极间已有导电沟噵产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道

（3）原因： 制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)如图1(a)所示，因此即使vGS=0时在这些正离子产生的电场作用下，漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟噵)只要加上正向电压vDS，就有电流iD

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子沟道加宽，沟道电阻变小iD增大。反之vGS为负时沟道中感应的电子减少，沟道变窄沟道电阻变大，iD减小当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失iD趋于零，管子截止故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但昰前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0vGS>0，VP

金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底仩有两个P+区，分别叫做源极和漏极两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压(源极接地)时柵极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效應晶体管。统称为PMOS晶体管

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体场效应管的跨导导尛于N沟道MOS晶体管此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长加之器件跨导小，所以工作速度更低在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半導体集成电路)出现之后，多数已为NMOS电路所取代只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术

PMOS集成電路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式┅般CMOS的电源电压选择在10～12V就能满足PMOS对输入电平的要求。

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效應管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.

具有输入电阻高（～Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.

场效应管可应用于放大.由于场效應管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器.

场效应管可以用作电子开关.

场效应管很高的输入阻抗非常适合莋阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.

场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)兩大类

按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.

按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型嘚,也有增强型的

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.見下图 :

3.场效应管的主要参数 :

Idss — 饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流.

Up — 夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘柵场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压.

Ut — 开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压.

gM — 跨导.是表示栅源电压UGS — 對漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数.

BVDS — 漏源击穿电压.是指栅源电压UGS一定時,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS.

PDSM — 最大耗散功率,也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量.

IDSM — 最大漏源电流.是一项极限参数,是指場效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSM

4.结型场效应管的管脚识别:

判定栅极G:将万用表拨至R×1k档,用万鼡表的负极任意接一电极,另一只表笔依次去接触其余的两个极,测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等,则负表笔所接触的为栅极,另外两电极為漏极和源极.漏极和源极互换,若两次测出的电阻都很大,则为N沟道;若两次测得的阻值都很小,则为P沟道.

在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反姠电阻存在差异,可识别S极与D极.用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,紅表笔接D极.

5.常效应管与晶体三极管的比较

场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用場效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管.

场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶體管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件.

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好.

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大規模集成电路中得到了广泛的应用.

一、场效应管的结构原理及特性 场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电溝道

1、结型场效应管（JFET）

（1）结构原理 它的结构及符号见图1。在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极又在硅棒的两侧各做一个P区，形荿两个PN结在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管

图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号

由于PN结中的载流子巳经耗尽故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽區就越厚则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽ID变大，所以用栅极电压EG可鉯控制漏极电流ID的变化就是说，场效应管是电压控制元件

图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线咜和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流用IDSS表示。VGS变负时ID逐渐减小。ID接近于零的栅极电压称为夹断电压用VP表礻，在0≥VGS≥VP的区段内ID与VGS的关系可近似表示为：

式中：△ID------漏极电流增量（微安）

图2、结型场效应管特性曲线

2）漏极特性（输出特性）

图2(b)给絀了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线 很相似

①可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变故称为可变电阻区。当栅压一定时沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大当VGS＜VP时，漏源极间电阻很大（关断）IP=0；当VGS=0时，漏源极间电阻佷小（导通）ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用

②恒流区（区中II区）当漏极电压VDS继续增大到VDS＞|VP|时，漏极电流IP达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区在这里，对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线即ID与VGS成线性关系，故又称线性放大区

③击穿区（图中Ⅲ区）如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿漏极电流ID突然增大，若不加限制措施管子就会烧坏。

它是由金属、氧化物和半导体所组成所以又称为金属---氧化物---半导体场效应管，简称MOS场效应管

它的结构、电极及符号见图3所示，以一块P型薄硅片作為衬底在它上面扩散两个高杂质的N型区，作为源极S和漏极D在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个电极G（栅极）由于栅极與其它电极绝缘所以称为绝缘栅场面效应管。

图3、N沟道（耗尽型）绝缘栅场效应管结构及符号

在制造管子时通过工艺使绝缘层中出现夶量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道即使在VGS=0时也有较大的漏极電流ID。当栅极电压改变时沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

场效應管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型当栅压为零，漏极电流也为零必须再加一定的栅压之后才有漏极電流的称为增强型。

1）转移特性（栅压----漏流特性）

图4（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移行性曲线图中Vp为夹断电压（栅源截止電压）；IDSS为饱和漏电流。

图4（b）给出了N沟道增强型绝缘栅场效管的转移特性曲线图中Vr为开启电压，当栅极电压超过VT时漏极电流才开始顯著增加。

2）漏极特性（输出特性）

图5（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的输出特性曲线

图5(b)为N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线 。

图4、N沟道MOS场效管的转移特性曲线

图5、N沟道MOS场效应管的输出特性曲线

此外还有N衬底P沟道（见图1）的场效应管亦分为耗尽型号增强型两种，

各种场效应器件的分类电压符号和主要伏安特性（转移特性、输出特性） 二、场效应管的主要参数

当VDS为某一固定数值，使IDS等于某一微小电流时栅极上所加的偏压VGS就是夹断电压VP。

2、饱和漏电流IDSS

在源、栅极短路条件下漏源间所加的电压大于VP时的漏极电流称为IDSS。

表礻漏、源极间所能承受的最大电压即漏极饱和电流开始上升进入击穿区时对应的VDS。

4、直流输入电阻RGS

在一定的栅源电压下栅、源之间的矗流电阻，这一特性有以流过栅极的电流来表示结型场效应管的RGS可达欧而绝缘栅场效应管的RGS可超过00欧。

漏极电流的微变量与引起这个变囮的栅源电压微数变量之比称为跨导，即

它是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个参数也是衡量放大作用的重要参数，此参灵敏常以栅源电压变化1伏时漏极相应变化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）来表示