绝缘栅场效应晶体管

场效应晶体管是最近十几年来新发展起来的半导体器件。早在三十年代就有人从事这方面的研究，提出过一些设想，但由于当时半导体生产工艺还不够成熟，所以一直到1960年以后，才得到广泛的应用。

和普通晶体管相比较，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大等特点，因此它广泛应用于数字电路、通信设备和仪器仪表等方面。场效应集成电路具有功耗小、成本低和容易做成大规模集成（一个硅片上制成上千管子的集成电路）等优点，特别适合于导弹、卫星、宇宙航行等要求体积小和省电的仪器设备上，因此自六十年代以来，它得到极其迅速的发展。场效应晶体管的种类很多，普通常用的有结型场效应管和绝缘栅场效应管两种，绝缘栅场效应管又称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。下面就绝缘栅场效应管作一简单介绍。

在讲述绝缘栅场效应晶体管的工作原理之前，先来谈谈什么是半导体的表面场效应。当我们在垂直于半导体表面的方向加一电场，则半导体表面将发生载流子（电子或空穴）的重新分布，因而半导体表面的导电能力也就改变了，这就是半导体的表面场效应。这个道理也很简单，在半导体中的载流子都是带电的，P型半导体的多数载流子是空穴，带正电；N型半导体的多数载流子是电子，带负电。电子和空穴在表面电场的作用下都会发生运动。电子向着电场相反的方向移动，而空穴则向着电场的方向移动。例如在一块N型半导体和一块金属板上加一电压E，使产生一个由半导体指向金属板的电场，如图1（a）所示，则在N型半导体中的电子受到电场的排斥力，电子被推向下，这块半导体上部表面的导电能力变得比原来小。而对如图1（b）所示的电场方向，则电子被吸引到上表面，使得半导体上表面薄层的导电能力变大。这就给我们一个启示，如果我们在这块半导体的两端制作两个电极，再接上负载电阻R和电源，如图2所示，只要我们改变电压e，也就是改变半导体和金属板上电场的大小，半导体的表面导电能力就改变了，使得流过负载R上的电流也随着变化，这就成为一个电压控制元件。如果输入电压e变化一个小量，负载R上产生一个变化较大的电压，这就有了放大作用。这就是绝缘栅场效应管的最初设想。

绝缘栅场效应管的结构如图3所示。在一块N型硅片上有两个相距很近浓度很高的P扩散区（P\(^{+}\)区），分别叫做源极（S）和漏极（D），在源区与漏区之间的硅片上，有一层绝缘层（二氧化硅或氮化硅），绝缘层上覆盖着金属铝，这就是栅极（G）。栅极和其它电极是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管。由于源、栅之间有一层氧化物绝缘层，这种管子基本上没有栅极电流，因此场效应管的输入阻抗非常高。这里的栅极相当于前面讨论的金属板，源极和漏极相当于前面讨论的两个引出电极。源、栅、漏分别相当于电子管的阴极K、栅极G、板极P，也相当于普通晶体管的发射极e、基极b、集电极c。绝缘栅场效应管的表示符号如图4（a）所示，它和普通晶体管、电子管的对应表示如图4（b)、（c）所示。

下面我们以P沟道场效应管为例说明其工作原理和特性。图5表示这种场效应管的结构，源和衬底接地，源漏间接一个电压V\(_{DS}\)，漏极为负；源和栅之间接可调的直流电压VGS，栅极为负。开始时V\(_{GS}\)=0伏，这时漏源间没有电流通过，即IDS≈0，这是因为P\(^{+}\)型漏区和N型衬底之间的PN结处于反向的缘故。当V\(_{GS}\)增加（绝对值增加，以下均指绝对值）到某一个电压VT时，源漏间开始有电流通过。VGS再增加，I\(_{DS}\)也增加。这是因为栅上加负电位，衬底加正电位，根据上面讲的场效应原理，栅氧化层下面一薄层硅内的电子被排斥走，而空穴被吸引到这里来，使这一薄层硅由N型“反型”成为P型硅，把源漏两个P+区连接起来；这样，源漏电阻大大减小了，所以源漏之间有电流IDS通过。硅氧化层下面的反型层叫做沟道，像图5所示“反型”成为P型的称为P型沟道，如“反型”成为N型的则称为N型沟道。P沟道与N沟道又各分为耗尽型和增强型两种，当V\(_{GS}\)＝0时源漏之间就存在导电沟道的，称为耗尽型场效应管；如果必须在VGS＞0的情况下才存在导电沟道的，则称为增强型场效应管。

场效应管的性能可以通过转移特性和输出特性来表示。转移特性反映了栅极电压和源漏电流之间的关系，代表栅极的控制能力；输出特性反映了在一定的栅压下源漏电压和源漏电流之间的关系，代表漏极的工作能力。

1．转移特性：

如图6所示。当栅压V\(_{GS}\)为零时，源漏电流IDS亦为零，当栅压的绝对值增加到大于开启电压VT时，两个P\(^{+}\)区间有沟道形成，管子开始导通。V\(_{GS}\)越大，沟道越厚，在一定的源漏电压VDS的情况下，I\(_{DS}\)就越大。当栅压VGS继续增加时，I\(_{DS}\)也随着增加，并且IDS与（V\(_{GS}\)－VT）2成正比，图6表示出这种关系。由图可以看出，I\(_{DS}\)由VGS控制，可以用一个参数——跨导gm来表示这种控制作用，它的数值等于栅压变化l伏时所引起的源漏电流I\(_{DS}\)变化的数值。如果栅压变化为△VGS，源漏电流变化为△I\(_{DS}\)，则gm=△IDS／△V\(_{GS}\)（毫安／伏）。这与电子管相似，电子管也是电压控制器件，也是用跨导来表示电压控制作用的。

2．输出特性：

如图7所示。输出特性分为三个区域。在V\(_{GS}\)＞VT的情况下，V\(_{DS}\)由零开始增加，当VDS很小时（V\(_{DS}\)＜VP），I\(_{DS}\)随着VDS成直线地增加，这一区域称为可变电阻区。V\(_{DS}\)继续增加到大于VP时，I\(_{DS}\)基本上不再增加，我们说管子“饱和”了；这个区域是线性放大区，在这个区域内，电流IDS随V\(_{GS}\)直线性增长，而与VDS几乎无关，场效应管放大器就是工作在这个区域。当V\(_{DS}\)再继续增加到大于VB时，I\(_{DS}\)急剧上升，这时管子进入击穿区，如果不加以限制，将会造成管子的损坏。

正像普通晶体管有PNP和NPN两种类型一样，绝缘栅场效应管也有两种类型，通常是根据沟道所属的半导体导电类型来区分，即P型沟道和N型沟道两类。一般N型沟道场效应管工作时，其漏极为正电压，栅极电压为负（耗尽型），而P型为道场效应管的电压极性恰恰相反。场效应管工作时的电压极性如图8所示。

下面以N沟道场效应管为例说明场效应管工作时取得偏置的方法。最简单的方法是采用固定的漏极和栅极电源。图9为一简单的场效应管放大器，它的栅压是由电源V\(_{GG}\)经RG加上的。栅极电阻R\(_{G}\)与场效应晶体管的交流输入电阻并联，因此RG的数值通常应选得尽可能大一些。

还可以采用类似电子管的自给栅偏压偏置电路，如图10所示，漏极电流经场效应管从源极流出，然后通过R\(_{S}\)在其上产生电压降。由于栅极是经由RG接地的，所以这个电压降就加在栅极与源极之间，成为自给栅偏压。电容C\(_{2}\)为交流傍路电容器，以防止产生不需要的反馈。

绝缘栅场效应管的输入阻抗非常高，这本来是它的优点，但是在使用上却带来了新的问题。由于输入阻抗高，所以在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄漏掉，电荷的累积造成了电压的升高，尤其是在极间电容比较小的情况下，少量的电荷就会产生较高的电压，以致管子还没有使用或者在焊接时就已经击穿或者出现指标下降的现象。

为了避免出现上述事故，关键在于避免栅极悬空，也就是在栅源两极之间必须保持直流通路。通常是在栅源两极之间接一个电阻，使累积电荷不致过多，或者接一个稳压管，使电压不致超过某一个数值。在保存时应该使三个电极短路；把管子焊到电路上或取下来时，也应该先将各极短路；安装测试时所用的烙铁、仪器等要有良好的接地，最好拔掉电烙铁的电源再进行焊接。（上海无线电十四厂）