场效应晶体管基本结构和工作原理

场效应晶体管（Field-Effect Transistor ,FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管按结构，可分为结型和绝缘栅型两大类。绝缘栅型场效应晶体管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO₂绝缘层隔离，故有绝缘栅型之称。或者按其金属-氧化物-半导体的材料构成，可称其为MOS管。

绝缘栅型场效应晶体管有N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构如图1所示。

(a)耗尽型	(b)增强型
图1 N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构

N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构如图1所示。在一块掺杂浓度低的P型半导体上，扩散两个高掺杂的N⁺型半导体区，并引出两个电极，分别称为源极S和漏极D。在两个N⁺区间的P型半导体氧化一层极薄的SiO₂绝缘层，在SiO₂绝缘层上制作一层金属铅，引出电极，作为栅极G。

如图1(a)所示，在制造N沟道MOS管时，如果在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子，就会在两个N⁺型区之间的P型衬底表面形成足够的电场，P型衬底中的空穴被排斥到远端，衬底中的电子被吸引到表面，形成一个N型薄层，将两个N⁺型区即漏极和源极沟通。这个N⁺型薄层称为N型导电沟道，又因为是在P型衬底中形成的而称为反型层。这种MOS管在制造时导电沟道已经形成，称为耗尽型MOS管。

如图1(b)所示，如果导电沟道不是预先在制造时形成的，而是利用外加栅极-源极电压形成电场产生的，则此类称为增强型MOS管。当U_GS>0时，G和S像一个平板电容器的两个极板，SiO₂和P型衬底好像电容中的介质，G-S间加正向电压后，其间便形成一个电场，在此电场的作用下，P型衬底中的空穴被排斥到远端，衬底中的电子被吸引到表面，形成一个N型导电沟道，当U_GS增大时，感生负电荷Q负增多；当U_GS增大到某一数值比如(U_GS=U_TH)时，Q负足够多，恰好将两个N+区连接连通，这时只要U_DS≠0，D-S间就会导通，即I_D=0。如果UGS继续增大，I_D随之增大；相反，如果U_GS减小，I_D随之减小。如果在D引线上串入一个电阻RD，则I_D就会在R_D上产生压降，并随着U_GS的变化而变化。显然，这是一个受电压控制的晶体管。

P沟道MOS管是因在N型衬底中生成P型反型层而得名。其结构和工作原理与N沟道MOS管似。只是使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反。各种场效应管的图形符号如图2所示。

(a) N沟道耗尽型	(b)N沟道增强型	(c)P沟道耗尽型	(d)P沟道增强型
图2 MOS管的图形符号

由于MOS管工作时只有一种极性的载流子(N沟道是电子，P沟道是空穴)参与导电，故亦称为单极型晶体管。与双极型晶体管的共发射极接法类似，MOS管采用共源接法，如图3所示。

图3 共源极接法电路

当U_GS上升时，感生负电荷Q负增多；当U_GS增到某个值比如U_GS=U_TH时，Q负足够多，恰好将两N⁺区连通，这时只要U_DS≠0，D-S间就会导通，即I_D≠0。如果U_GS增大，I_D也就越大。如果在D引线上串一个电阻R_D，则I_D就会在R_D上产生压降，并随着U_GS的变化而变化。所以场效应晶体管是电压控制的电流源器件。

MOSFET与BJT都是半导体晶体管，MOSFET的源极、漏极、栅极分别相当于BJT的发射极、集电极、基极。BJT的集电极电流I_C受基极电流I_B的控制，是一种电流控制器件；而MOSFET的漏极电流I_D受栅-源电压U_GS的控制，是一种电压控制元件。www.ippipp.com但与BJT相比，MOSFET具有输入电阻大、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电少等优点。这些优点使之从20世纪末60年代一诞生就广泛应用于各种电子电路中。另外，MOSFET的制造工艺比较简单，占用芯片面积小，特别适用于制造大规模集成电路。

与BJT类似，MOSFET不仅可以通过U_GS控制I_D实现对信号的放大作用，而且也可以作为开关元件，通过U_GS控制其导通或判断，广泛用于开关电路和脉冲数字电路中。