从二极管到集成电路——场效应晶体管

场效应晶体管，英文名称为Field Effect Transistor.缩写为FET，简称场效应管。它也是有三个引出电极的晶体管，但它的工作原理与普通晶体管不同，普通晶体管是电流控制器件，即在一定条件下，集电极电流I\(_{c}\)受控于基极电流Ib，而场效应管是电压控制器件，管子电流受控于栅极电压。

早在1928年就已有人研究过场效应管，但由于当时半导体生产工艺还不成熟，无法付之实用。在1948年第一个点接触晶体三极管发明前，美国贝尔研究所的物理学家肖克莱就设想过类似现在场效应管的结构，如图1，他设想在金属电极上加以反向偏压来控制半导体中电流大小，其作用原理和电子三极管相仿。以后，在较好地解决了硅平面工艺的基础上，研究成功较为实用的场效应管。目前场效应管的品种已越来越多，但总的可划分为两大类：一类是结型场效应管（缩写为JFET），另一类是绝缘栅场效应管（IGFET），也叫金属一氧化物一半导体绝缘栅场效应管（M－OSFET），通常简称为MOS场效应管。同晶体管有PNP和NPN两种极性类型一样，这两类场效应管根据其沟道所采用的半导体材料，又都可分为N型沟道和P型沟道两种。所谓沟道，就是电流通道。

N沟道结型场效应管由两部分组成，见示意图2a，本体是一块N型硅材料，叫N沟道，引出两个电极分别称为源极（S）和漏极（D）。本体两边各附一小片P型材料，引出电极称为栅极（G）。由图可知，在沟道和栅极间形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随管子型号而不同，一般约为数百欧到数千欧。若按图2a将漏极接正电源、源极接负电源或接地，就有漏极电流I\(_{D}\)流过沟道，且随漏一源极间电压 VDS的增加而增大，其关系曲线见图4a（V\(_{GS}\)=0V）。当栅极接负电压时，如图2b，PN结加上了反向偏压，形成空间电荷区。由于空间电荷区内载流子很少，因而也叫耗尽区（或阻挡层），其性能类似绝缘体。反偏压越大，耗尽区越宽，就向沟道中扩展使沟道变窄，沟道电阻加大，ID减小。I\(_{D}\)流经沟道是要产生压降的，这使得沿沟道各点与栅极的偏压不一样，在图2b中，A点电位比B点高，栅极相对于A点的反偏压就会大于B点的反偏压，于是造成图中A点处耗尽区伸入得比B点处要多，形成如图所示耗尽区形状。当负栅压继续增加时，耗尽区就会愈来愈厚，甚至使两边耗尽区在沟道中间相合上，如图2c，导电沟道消失，ID完全截止，这种现象称为夹断，这时所加的栅一源极间电压叫夹断电压V\(_{P}\)。

从以上可以看到，场效应管的漏、源、栅极分别具有类似电子管的屏、阴、栅极的功能。与普通晶体管不同，它的栅、源极之间是一个反向偏置的PN结，因而输入电阻极大，一般在数百兆欧以上；它的漏极电流由单一载流子形成，例如N沟道场效应管中为电子，P沟道场效应管中为空穴，电流受到垂直于电流通路的电场大小的控制。而晶体管却由一个反偏的集电结和一个正偏的发射结结合而成的，载流子有电子和空穴。因此，场效应管常被叫做单极晶体管，而普通晶体管却被叫做双极晶体管。

图3是N沟道结型场效应管的管芯截面示意图。

同晶体管一样，场效应管也可用特性曲线来描述性能和工作状态，最常用的是漏极特性曲线和转移特性曲线。图4是N沟道结型场效应管的特性曲线，P沟道给型场效应管除了电流、电压极性与N沟道给型场效应管相反外，两者特性完全相似。

1．漏极特性曲线（见图4a）：它表示在一定的栅偏压V\(_{GS}\)时，ID和V\(_{DS}\)的关系。同晶体管输出特性曲线一样，亦可将漏极特性曲线分成三个工作区：Ⅰ区为可变电阻区，或叫沟道欧姆区，在这个区中，沟道特性与电阻类似。因为rDS= DS/D,当V\(_{GS}\)=OV时,ID随V\(_{DS}\)增长较快，而当外加栅偏压增加时，ID随V\(_{DS}\)增长就较慢，所以它的阻值受栅偏压所控制。Ⅱ区为饱和区，在这个区中，VDS增大，I\(_{DS}\)几乎不再增大，维持某一饱和值，IDS随栅压V\(_{GS}\)呈线性变化。这是场效应管的工作区，与晶体管的放大区相似，可以获得较高的增益和良好的恒流特性。Ⅲ区为击穿区，这时ID急剧增大，以致使管子损坏。

2.转移特性曲线（见图4b）:它表示在V\(_{DS}\)一定时,ID与V\(_{DS}\)的关系。由于转移特性曲线与漏极特性曲线所反映的是场效应管工作的同一物理过程，只是从不同的角度把它反映出来，因此这两种特性曲线并不是相互无关的。只要在图4a漏极特性曲线上漏源电压等于VDS值处，作垂直分割线，此垂直线与务输出特性曲线的交点，就表明了在漏源电压固定为V\(_{DS}\)条件下，不同栅源电压VGS应有的输出电流ID值，把各点连成曲线就得到转移特性（I\(_{D}\)—VGS）曲线。图4c表示不同环境温度时的转移特性曲线，各线交点Q叫做最佳偏压点，因为在该点处不受温度影响，温度系数为零。

为了获得更高的输入电阻和便于做成集成电路，又出现了将栅极绝缘的另一种场效应管——绝缘栅场效应管，其内部结构示意图见图5，可以看出它与图3结型场效应管结构主要不同处在于它的栅极是从二氧化硅上引出，栅极是与源、漏极绝缘的，绝缘栅场效应管亦因此得名。

绝缘栅（MOS）场效应管有耗尽型和增强型之分。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。因此绝缘栅场效应管有N沟道耗尽型、N沟道增强型、P沟道耗尽型、P沟道增强型等四种不同的类型。图6是四种MOS场效应管的输出特性曲线，图7是四种MOS场效应管的转移特性曲线。从图6、图7可以看到，N沟道MOS场、效应管和P沟道MOS场效应管的主要差别就是它们正常工作所需偏压的正、负极性正好相反，它们输出电流的方向也正好相反，它们的特性曲线正好完全倒了过来，电压和电流的符号完全相反。从图7中还可以看到，增强型MOS场效应管只有加上一定栅压时,管子才导通，这个栅压叫阈电压V\(_{T}\)。

绝缘栅场效应管由于栅极是绝缘的，故输入电流几乎为零，输入电阻极高，一般在10\(^{12}\)Ω以上，比结型场效应管要高几个数量级。但这也带来一些麻烦：由于栅极绝缘，栅漏极反向电流极小，栅漏结相当于一个具有非常大电阻的电容器，若用一把外壳没有接地的电烙铁或用人手碰一下管脚，就能使栅漏结被感应充电，充电电压足以大于击穿电压，使管子被烧毁。所以，MOS场效应管要拿它的外壳，切勿拿它的管脚；存放管子必须将管脚拧在一起，或用金属环将所有管脚短路。最近，出现了在管内加有保护二极管的MOS场效应管，使用时可与结型场效应管一样方便。

图8为各种场效应管的符号。图8a、8b为结型场效应管：沟道的表示方法与普通晶体管的基极相似，漏极、源极从沟道上、下对称引出，表示两极可以互换。这种结型管只有在接入电路时才能区分源、漏极，一般电路中，漏极画在沟道顶部，源极画在沟道底部。图中箭头表示栅极，同普通晶体管的规定一样，箭头指向表示从P型指向N型材料，故图8a中箭头指向沟道即为N型沟道结型场效应管，如国产3DJ1～ 3DJ9系列；图8b中箭头背离沟道即为P到沟道结型场效应管。 图8c～8f为绝缘栅场效应管，图中栅极都不直接与沟道接触，表示栅极是与源、漏极绝缘的。箭头表示源极，图8c中箭头指向栅极为P型沟道MOS管；图8d中箭头背离栅极故是N型沟道MOS管，如国产3DO1～3DO4型等。增强型MOS管表示沟道的线被画成三截，表示源、漏极之间在零栅压下是没有导电沟道的，这与耗尽型MOS管和结型管都不相同，图8e为N沟道增强型MOS管，如国产3DO6型，图8f为P沟道增强型MOS管，如国产3CO1型。MOS管表示源极的箭头，除了表示指向外，还表示这种管子的源极和漏极不能互换。目前常用的国产场效应管主要有两种封装形式：圆形金属壳封装和扁平型塑料壳封装，其外形、管脚见图9，其中图9a为结型管，图9b为MOS管。（金国钧 编译）