MOS型场效应晶体管

有一类场效应管是由金属、氧化物和半导体组成的，称为金属—氧化物—半导体场效应管（简称MOS场效应管）。它也是利用电场的效应来控制电流的，但内部结构和工作原理与结型场效应管不同，它的突出优点是具有极高的输入阻抗。这种管子的工作原理主要是基于半导体表面的电场效应，下面就从这个问题谈起。

在一块P型半导体上方，放一块与之平行的金属板，在金属板和半导体之间加上一定的电压后，便在它们之间形成一个垂直向下的电场（图1a）。这个电场可以把P型半导体内的少数载流子电子吸引到上方，与原来的多数载流子空穴中和，形成一个耗尽层（图1b）。当电场进一步增强时，被吸引到上方的电子数增多，它们积聚在半导体表面上，构成一个“反型层”（图 1c）。显然，外加电场越强，反型层越厚；外加电场消失，反型层也就消失。就是说，电场的作用可以使半导体表面的载流子重新分布。这种现象就是半导体的“表面电场效应”，利用这种特性可以制作出MOS场效应管。

图2为N沟道MOS管的结构示意图。它是用一块P型硅片作衬底，在上面扩散两个高掺杂的N+型区，在N+型区上通过铝层引出两个电极，即源极（S）和漏极（D）。漏源两个扩散区之间的硅表面上生成一层绝缘的氧化膜（二氧化硅），在氧化膜上也制作一个铝电极，即为栅极（G）。两个扩散区和P型衬底分别构成PN结（图2a）。如果把衬底和源极相连接（有些管子在内部已将它们接在一起），并在栅源极间加上一定数值的正电压V\(_{GS}\)，就会在氧化膜下面的硅表面上形成一个由电子组成的反型层，它把漏源两个N+扩散区连接起来，成为可以导电的“沟道”（图2b）。然后，在漏源之间加上正电压VDS。这样，使漏扩散区与衬底间的PN结处于反向电压作用下，把耗尽区变宽，使漏极与衬底之间互相绝缘；同时可以形成从漏极经过沟道流往源极的电流I\(_{D}\)（图2c）。可以看出，当改变栅源（栅衬）之间正电压的大小时，就改变着反型层中电子的数量，也就改变着沟道的电阻值，这样便影响着漏极电流的大小。即可以通过栅极电压来控制漏极电流。如果将信号电压加于栅源之间，则漏极电流将随信号作相应的大幅度的变化。这就是MOS管能进行放大的实质所在。

上面介绍的场效应管，是用P型硅片作衬底制成的，反型层是由电子组成的N型沟道。其特点是：当V\(_{GS}\)≤0时不存在导电沟道，即使加上电压VDS也不产生漏极电流；只有当V\(_{GS}\)＞0并具有一定数值（即大于开启电压VT）时，才出现反型层，从而具备导电的可能性。这种管子称为N沟道增强型MOS场效应管。

还有一种类型，它也是以P型硅片作衬底，但在氧化层的生长过程中引进了带正电的离子（图3），这些正电荷能够吸引足够的电子到硅表面，形成可以导电的构造。故当V\(_{GS}\)等于零或是一定数量的负值时也能导电。这种类型称为N沟道耗尽型MOS场效应管。

同样，也可用N型硅作衬底，制成P沟道MOS场效应管。其结构和工作原理基本上与N沟道型相同。它的导电沟道由空穴组成，也为增强型和耗尽型两种，工作时所加的电源极性与N沟道型的相反。

为了便于比较，把各类MOS管的符号、特性曲线等列于表一。其中转移特性表示I\(_{D}\)随VGS变化的曲线；输出特性表示I\(_{D}\)随VDS变化的曲线（V\(_{GS}\)取某些固定值）。从两种特性曲线中也可以看出，对N沟道增强型的管子，只有当VGS＞V\(_{T}\)时才有漏极电流。而对于耗尽型，不论VGs大于零、等于零或小于零（大于夹断电压V\(_{P}\)）都有相应的漏极电流。关于P沟道的两种类型，也有类似的特点，不再重述。

还有一些管子具有两个栅极（G\(_{1}\)和G2），可分别注入不同信号，便于在某些特定场合下使用，其符号如图4所示。

图5画出了金属型、环氧型和塑封型MOS管的外形和管脚排列，供识别时参考。

新、旧型MOS管的命名如下：

有的厂家在型号后面加字母B，如3DO1D－B，表示管内对栅极加了保护措施。

把目前国内普遍应用的几种MOS管的主要特点和封装型式列于表二，供使用时选用。

MOS场效应管的共同特点是在栅极与沟道间夹着一层绝缘的二氧化硅，因此也称为绝缘栅场效应管。这种结构把栅源极隔离开，使栅极的漏电流微乎其微，故呈现极高的输入阻抗（达10\(^{9}\)欧以上）。用它做成放大器，在输入回路中基本上不消耗功率，即使在小信号输入情况下也能正常工作。当与高阻话筒、电子管等相连接或作级联运用时，可以直接耦合而简化电路结构。对于结型场效应管，因栅源间跨着PN结，尽管处于反向偏置，仍有反向电流，并且随温度升高而增大，其输入阻抗比MOS管低几个数量级。

MOS管有四种类型，各具特点，使电路设计较灵活。如耗尽型管子，其栅极偏压可正可负，甚至可以在零偏压情况下工作。同时因动态范围大，一般不会出现阻塞现象。

MOS管与结型管一样，噪声较低，抗辐射能力较强。它的缺点是低频噪声较大，用来作低频小信号放大时，其性能不如结型管好。

MOS管的工艺较简单，便于制作集成电路。

在应用方面，MOS管和结型管基本上一致，其放大电路也大体相同。例如，它也可接成源极跟随器和共源放大电路等，这里不再赘述。下面介绍两个应用实例。

图6是红灯735型全波段收音机的高放电路（仅画出一个波段）。其中选用了双栅MOS管4DO1C，它是专为收音机、电视机的高放电路而研制的，跨导较高。电路是共源调谐放大器，输入端采用升压式高阻抗输入回路与场效应管相匹配，负载是单调谐回路。因4D01C是N沟道管子，源极通过100Ω电阻接电源负极，漏极通过56Ω电阻和L\(_{1}\)接地（电源正极）。在两个栅极中，G1接输入信号，将AGC电压加于栅极G\(_{2}\)，使管子的跨导随信号的强弱作相反的变化，实现自动增益控制。

图7是采用了MOS管的文氏电桥振荡器。其中W\(_{1}\)R1C\(_{1}\)和W2R\(_{2}\)C2组成RC串并联反馈网络，W\(_{1}\)和W2是同轴电位器，可用来调节振荡频率。BG\(_{1}\)、BG2和BG\(_{3}\)组成多级交流放大器，输出端A和输入端G同相位，使电路维持正弦振荡。这里着重看一下第一级放大器，它的输入端直接和RC反馈网络相连接，因场效应管的输入阻抗较高，对网络不产生分流作用，这是我们所希望的。当提高W1、W\(_{2}\)的阻值时，振荡器的下限频率可低到5Hz，此时RC网络中的电阻值要提高到22MΩ。如果第一级放大器采用晶体管，因其输入电阻较低，不可能将网络的电阻值提高到那样的程度，即不可能产生如此低的振荡频率。

MOS管的缺点是容易损坏，特别是栅极容易击穿。这是因为栅、衬间隔着一层阻值很高的氧化膜，使栅极处于绝缘状态，其上的感应电荷不易放掉，积累到一定程度可产生很高的电压，将氧化膜击穿。为了避免这种情况，必须注意如下几点：（1）测试MOS管的仪器、线路装置必须接地。（2）焊接管子时电烙铁外壳要接地，或者用烙铁余热焊接，其顺序是先焊源，栅极，后焊漏极。（3）使用前必须弄清管子的型号和导电极性，且不可盲目接入线路。（4）对内部没有保护措施的MOS管，存放时要将三个电极短路，便于栅极泄放积累的电荷。（5）MOS管的输入阻抗较高，电极或线路板上的污秽能够降低它的输入阻抗，因此必须注意清洁。(姚昆瑶 林荫森)