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場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor, FET）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管，是一種由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，也稱為單極型晶體管，它主要分型場(chǎng)效應(yīng)管（Junction FET, JFET)和金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide Semiconductor FET,MOSFET），屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、無二次擊穿現(xiàn)象、安全工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

本節(jié)我們講解一下N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

如上圖所示，在一塊P型硅片（半導(dǎo)體）襯底（Substrate，也有稱為Bulk或Body）上，形成兩個(gè)高摻雜的N+區(qū)，分別命名為源（Source）區(qū)與漏（Drain）區(qū)，從中引出的電極分別稱為源極（S）與漏極（D）。在P型襯底表面覆蓋薄薄的一層SiO2（二氧化硅）作為絕緣層，叫柵氧化層或柵絕緣層，再在上面覆蓋一層金屬（現(xiàn)今廣泛使用多晶硅,Poly-Silicon），其引出的電極稱為柵極（Gate, S），這就是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)名稱的由來。

其原理圖符號(hào)應(yīng)如下所示：

從結(jié)構(gòu)上可以看出，MOS管是完全對(duì)稱的，因此理論上源極S與漏極D是可以互換使用的。在MOS管中，源極為提供載流子的端子，而漏極為接收載流子的端子，源和漏的命名也由此而來，N溝通MOS管的源極通常連接至電路的最低電位，而P溝通MOS管的源極連接至電路的最高電位（為什么？）。

對(duì)于單個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管，襯底B通常與源極S連接在一起，這樣兩個(gè)電極的電位是一致的，這樣可以避免體效應(yīng)引起閾值電壓的漂移（后面會(huì)提到），因此，你看到的MOS場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)可能如下圖所示：

這樣場(chǎng)效應(yīng)管就應(yīng)該如下圖所示：

實(shí)際的場(chǎng)效應(yīng)管通常把襯底電極B與源極電極S做在一起，因此，通常我們是看不到襯底電極的。由于N區(qū)與P型襯底之間存在PN結(jié)（也叫做耗盡層），因此上圖中已經(jīng)形成了兩個(gè)二極管，如下圖所示：

很明顯，左邊的那個(gè)PN結(jié)（二極管）因B極與S極的短接而相當(dāng)于不存在，右側(cè)的二極管則稱為寄生二極管，它是由源極S指向漏極D，因此，我們也有可能看到如下圖所示的MOS場(chǎng)效應(yīng)管原理圖符號(hào)：

下圖來自國(guó)際整流器IR的NMOS場(chǎng)效應(yīng)管IRFP150N數(shù)據(jù)手冊(cè)：

下面我們來看看N溝通MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。假設(shè)初始狀態(tài)如下圖所示，即柵-源電壓V_GS與漏-源電壓V_DS均為0V，這種狀態(tài)稱為截止區(qū)，亦即漏極D與源極S之間是不導(dǎo)通的。

如果此時(shí)在漏-源兩極之間施加正向電壓V_DS，則仍然有一定的漏電流，我們稱之為漏源泄漏電流I_DSS（Drain-to-Source Leakage Current），增強(qiáng)型MOS管的I_DSS很小，一般是uA級(jí)別，如下圖所示：

當(dāng)對(duì)柵極G與源極S施加正向電壓V_GS時(shí)，在正向電場(chǎng)的作用力下，N區(qū)中的電子（多子）與P型襯底中的電子（少子）均被吸附到柵極下的襯底表面，并與P型襯底中空穴（多子）復(fù)合而形成負(fù)離子為主的空間電荷區(qū)，這個(gè)空間電荷區(qū)把兩側(cè)的空間電荷區(qū)連接起來，但這個(gè)時(shí)候的柵-源電壓V_GS比較小，因此，漏極D與源極S仍然是不導(dǎo)通的（即截止區(qū)），如下圖所示（關(guān)于電子與空穴復(fù)合可參考文章《二極管》）：

此時(shí)，也有相應(yīng)的柵-源泄漏電流I_GSS（Gate-to-Source Forward Leakage），因?yàn)闁艠O與源極之間相當(dāng)于兩個(gè)平板，而S_iO₂絕緣層相當(dāng)于平板之間的介質(zhì)，因此形成的平板電容肯定會(huì)有一定的泄漏電流，此值越小表示柵極與源極之間的絕緣氧化層的絕緣性越好。

當(dāng)柵-源電壓V_GS繼續(xù)增大時(shí)，N區(qū)與P型襯底中的電子被進(jìn)一步吸附到柵極下的襯底表面，直到電子的濃度大于空穴濃度，原來兩個(gè)N區(qū)中間的P型襯底變換為N型，并將兩側(cè)的N區(qū)連通。我們把剛剛能使源-漏兩極之間能夠?qū)ǖ碾妷悍Q為閾值電壓V_GS(th)（Gate Threahold Voltage），此值取決于場(chǎng)效應(yīng)管的工藝，絕緣層越?。妱?shì)梯度越大），N+區(qū)摻雜濃度愈高（電子越多），襯底摻雜濃度愈低（則P襯底的空穴越小，需要復(fù)合的電子就越少），則相應(yīng)的閾值電壓就越小。

這個(gè)導(dǎo)電溝通是由原來的P型襯底轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>N型的，因此也稱為反型層。導(dǎo)電溝通也存在一定的電阻，我們稱其為通態(tài)漏源電阻R_DS(on)（Static Drain-to-Source On-Resistance），顯然，柵-源極間電壓V_GS越大，則反型層中的自由電子濃度也相應(yīng)越大，導(dǎo)電溝道也越深，因此R_DS(on)也越小，但是V_GS也有其最大值V_GSS，通常為±10V～20V左右，超過此值則柵-源極間可能會(huì)被擊穿。

此時(shí)的N型導(dǎo)電溝道與P型襯底之間也形成了一個(gè)PN結(jié)，如下圖所示：

原理圖符號(hào)中的箭頭方向與該PN結(jié)的方向是一致的，因此以后你就不用記什么“箭頭指向柵極是N溝道”之類的口訣了，而原理圖符號(hào)兩側(cè)的線段則分別表示柵極與源極，并且在默認(rèn)情況下是不導(dǎo)通的，所以是三條虛線段。很容易可以預(yù)想到，耗盡型MOS管的原理圖符號(hào)應(yīng)該是一條實(shí)線，因?yàn)楹谋M型MOS管在默認(rèn)情況下源極與漏極之間是導(dǎo)通的，如下圖所示：

另外，我們也應(yīng)該看到，正是由于P型襯底與源極S連接在一起，當(dāng)對(duì)柵-源兩極之間施加V_GS正向電壓時(shí)，才可以在相對(duì)較低的電場(chǎng)下也可以將P型襯底中的少子電子吸附過來，如果P型襯底沒有與源極S相連接（懸空），或連接的是其它更高的電平，則由于P型襯底是懸空的（相當(dāng)于柵-源電壓找不到發(fā)力點(diǎn)），在正常的柵-源電壓V_GS電壓下很難形成導(dǎo)電溝通，繼而使MOS管無法正常工作。

  換句話講，在相同的外部條件下，我們需要更大的柵-源電壓V_GS才能形成N型導(dǎo)電溝道，亦即導(dǎo)致閾值電壓V_GS(th)的變化（漂移），如下圖所示：

此時(shí)源極S與漏極D之間是導(dǎo)通的，如果在兩個(gè)電極之間施加V_DS正向電壓，則會(huì)形成電流回路，如下圖所示：

MOS管的漏-源極之間能通過的最大電流稱為漏極電流I_D（Drain Current），也有些數(shù)據(jù)手冊(cè)稱為源極電流I_S（Source Current），其實(shí)兩者是一致的。

同時(shí)我們也應(yīng)該看到，相對(duì)于沒有添加漏-源電壓V_DS前（V_DS=0）的狀態(tài)，柵-漏極之間的正向電壓V_GD會(huì)因?yàn)?/span>V_DS的施加而減弱，即V_GD=V_GS-V_DS，也就是說，柵-源極的正向電場(chǎng)最強(qiáng)，產(chǎn)生的導(dǎo)電溝通最深，而越往漏極靠近，產(chǎn)生正向電場(chǎng)逐漸減弱，這樣導(dǎo)致導(dǎo)電溝通的深度是不均勻的。

這種狀態(tài)也稱為非飽和區(qū)（Nonsaturation Region），也叫變阻區(qū)（Ohmic Region）

當(dāng)漏-源電壓V_DS增大到其值為V_GS-V_GS(th)時(shí)，由于V_GD形成的正向電場(chǎng)不足以在漏極端吸附足夠的電子而造成N型溝道的消失，此時(shí)源極與漏極間也是不導(dǎo)通的。這種由V_DS引起溝道不導(dǎo)通的現(xiàn)象稱之為預(yù)夾斷。這種狀態(tài)也稱為飽和區(qū)（Saturation Region），也叫放大區(qū)（Active Region），使用場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路應(yīng)工作在此種狀態(tài)（與三極管的飽和區(qū)不一樣）。

在MOS管的放大區(qū)，V_DS的存在使其產(chǎn)生預(yù)夾斷，這時(shí)漏極電流I_D幾乎不再受V_DS控制，即僅受控于柵-源電壓V_GS，這與三極管的集電極電流I_C受控于基極電流I_B一樣，只不過是由電壓控制的電流源，它可以等效如下圖所示：

當(dāng)漏-源電壓V_DS增大到某一程度時(shí)，漏極與P型襯底間的PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿，此時(shí)電流迅速上升，MOS管進(jìn)入到擊穿區(qū)，如下圖所示：

其中，V_(BR)DSS即漏-源擊穿電壓（Drain-to-Source Breakdown Voltage）

與三極管類型，MOS管也有相應(yīng)的伏安特性曲線，但是MOS管輸入柵極電流非常小，輸入特性曲線就沒有太大的必要，在共源極連接形式中，N溝道MOS管的輸出特性曲線如下圖所示：

我們用下圖所示的電路對(duì)IRFP150進(jìn)行輸出特性曲線的仿真：

其中，XIV1為IV特性分析儀（IV-Analyzer），也就是伏安特性曲線分析儀，非常適合于測(cè)量分立半導(dǎo)體元件的伏安特性曲線，如二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。

雙擊XIV1后，在彈出的對(duì)話框內(nèi)進(jìn)入Simulate Parameters仿真參數(shù)設(shè)置界面，如下圖所示進(jìn)行設(shè)置：

再運(yùn)行仿真（交互式仿真模式下）即可出現(xiàn)如下圖所示的伏安特性曲線：

下圖為IRFP150數(shù)據(jù)手冊(cè)的參數(shù)：

讀者可以對(duì)照之前的描述解讀此規(guī)格書的電氣參數(shù)，另外，還有一些寄生及延遲時(shí)間之類的參數(shù)及相關(guān)的應(yīng)用電路，我們留待后續(xù)章節(jié)講解。