場效電晶體工作原理

mos場效電晶體電源開關電路。

這是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡單解釋一下mos 場效電晶體的工作原理。

mos 場效電晶體也被稱為mos fet，既metal oxide semiconductor field effect

transistor（金屬氧化物半導體場效電晶體）的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型mos

場效電晶體，其內部結構見圖5。它可分為npn型pnp型。npn型通常稱為n溝道型，pnp型也叫p溝道型。

由圖可看出，對於n溝道的場效電晶體其源極和漏極接在n型半導體上，同樣對於p溝道的場效電晶體其源極和漏極則接在p型半導體上。我們知道一般三極體是由輸入的電流控制輸出的電流。但對於場效電晶體，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是我們稱之為場效電晶體的原因。

為解釋mos

場效電晶體的工作原理，我們先了解一下僅含有乙個p—n結的二極體的工作過程。如圖6所示，我們知道在二極體加上正向電壓（p端接正極，n端接負極）時，二極體導通，其pn結有電流通過。這是因為在p型半導體端為正電壓時，n型半導體內的負電子被吸引而湧向加有正電壓的p型半導體端，而p型半導體端內的正電子則朝n型半導體端運動，從而形成導通電流。

同理，當二極體加上反向電壓（p端接負極，n端接正極）時，這時在p型半導體端為負電壓，正電子被聚集在p型半導體端，負電子則聚集在n型半導體端，電子不移動，其pn結沒有電流通過，二極體截止。

對於場效電晶體（見圖7），在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效電晶體處與截止狀態（圖7a）。當有乙個正電壓加在n溝道的mos

場效電晶體柵極上時，由於電場的作用，此時n型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而湧向柵極，但由於氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個n溝道之間的p型半導體中（見圖7b），從而形成電流，使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個n型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當於為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了p溝道的mos

場效電晶體的工作過程，其工作原理類似這裡不再重複。

下面簡述一下用c-mos場效電晶體（增強型mos

場效電晶體）組成的應用電路的工作過程（見圖9）。電路將乙個增強型p溝道mos場效電晶體和乙個增強型n溝道mos場效電晶體組合在一起使用。當輸入端為低電平時，p溝道mos場效電晶體導通，輸出端與電源正極接通。

當輸入端為高電平時，n溝道mos場效電晶體導通，輸出端與電源地接通。在該電路中，p溝道mos場效電晶體和n溝道mos場效電晶體總是在相反的狀態下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。

同時由於漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0v，通常在柵極電壓小於1到2v時，mos場效電晶體既被關斷。不同場效電晶體其關斷電壓略有不同。也正因為如此，

使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。

由以上分析我們可以畫出原理圖中mos場效電晶體電路部分的工作過程（見圖10）。工作原理同前所述。

由於半導體三極體工作在放大狀態時，必須保證發射結正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流就可改變輸出電流，所以三極體是電流控制器件，因而三極體組成的放大器，其輸入電阻不高。

場效電晶體是通過改變輸入電壓(即利用電場效應)來控制輸出電流的，屬於電壓控制器件，它不吸收訊號源電流，不消耗訊號源功率，因此輸入電阻十分高，可高達上百兆歐。除此之外，場效電晶體還具有溫度穩定性好，抗輻射能力強、雜訊低、製造工藝簡單、便於整合等優點，所得到廣泛的應用。

場效電晶體分為結型場效電晶體(jfet)和絕緣柵場效電晶體(igfet)，目前最常用的mos管。

由於半導體三極體參與導電的兩種極性的載流子，電子和空穴，所以又稱為半導體三極體雙極性三極體。場效電晶體僅依靠一種極性的載流子導電，所以又稱為單極性三極體。

fet－field effect transistor

jfet－junction field effect transistor

igfet－insulated gate field effect transistor

mos－metal-oxide-semiconductor

§1 結型場效電晶體

一、結構

結型場效電晶體有兩種結構形式。n型溝道結型場效電晶體和p型溝道結型場效電晶體。以n溝道為例。

在一塊n型矽半導體材料的的兩邊，利用合金法、擴散法或其它工藝做成高濃度的p+型區，使之形成兩個pn結，然後將兩邊的p+型區連在一起，引出乙個電極，稱為柵極g。在n型半導體兩端各引出乙個電極，分別作為源極s和漏極d。夾在兩個pn結中間的n型區是源極與漏極之間的電流通道，稱為導電溝道。

由於n型半導體多數載流子是電子，故此溝道稱為n型溝道。同理，p型溝道結型場效電晶體中，溝道是p型區，稱為p型溝道，柵極與n型區相連。電路符號如圖所示，箭頭方向可理解為兩個pn結的正向導電方向。

二、工作原理

從結型場效電晶體的結構可看出，我們在d、s間加上電壓uds，則在源極和漏極之間形成電流id。我們通過改變柵極和源極的反向電壓ugs，則可以改變兩個pn結阻檔層(耗盡層)的寬度。由於柵極區是高摻雜區，所以阻擋層主要降在溝道區。

故|ugs|的改變，會引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流id。如|ugs|上公升，則溝道變窄，電阻增加，id下降。反之亦然。

所以改變ugs的大小，可以控制漏極電流。這是場效電晶體工作的基本原理，也是核心部分。下面我們詳細討論。

1．ugs對導電溝道的影響

為了便於討論，先假設uds=0。

(a)ugs=0

(b)ugs<0

當ugs由零向負值增大時，pn結的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。

(c)ugs=–up

若ugs的負值再進一步增大，當ugs=–up時，兩個pn結的阻擋層相遇，溝道消失，我們稱溝道被「夾斷」了，up稱為夾斷電壓，此時id=0。

2．id與uds、ugs之間的關係

假定：柵、源電壓|ugs|<|up|，如ugs=–1v，up=–4v。

⑴當uds=2v時，溝道中將有電流id通過。此電流將沿著溝道方向產生乙個電壓降，這樣溝道上各點的電位就不同，因而溝道內各點的電位就不同，因而溝道內各點與柵極的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如：

udg=uds–ugs=2–(–1)=3v，沿著溝道向下逐漸降低，源極端為最低，如：usg=–ugs=1v，兩個pn結阻擋層將出現楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄。如下圖(a)所示。

此時再增大uds，由於溝道電阻增長較慢，所以id隨之增加。

⑵預夾斷

當進一步增加uds，當柵、漏間電壓ugd等於up時，即

ugd=ugs–uds=up

則在d極附近，兩個pn結的阻擋層相遇，如下圖(b)所示。我們稱為預夾斷。如果繼續公升高uds，就會使夾斷區向源極端方向發展，溝道電阻增加。

由於溝道電阻的增長速率與uds的增加速率基本相同，故這一期間id趨於一恆定值，不隨uds的增大而增大，此時，漏極電流的大小僅取決於ugs的大小。ugs越負，溝道電阻越大，id便越小。

⑶當ugs=up時，溝道被全部夾斷，id=0，如下圖(c)所示。

注意：預夾斷後還能有電流。不要認為預夾斷後就沒有電流。

由於結型場效電晶體工作時，我們總是要柵源之間加乙個反向偏置電壓，使得pn結始終處於反向接法，故id≈0，所以，場效電晶體的輸入電阻rgs很高。

三、特性曲線

1、輸出特性曲線

以ugs為參變數時，漏極電流id與與漏、源電壓uds之間的關係，稱為輸出特性，即

根據工作情況，輸出特性可劃分為四個區域。

⑴可變電阻區。可變電阻區位於輸出特性曲線的起始部分，此區的特點是：固定ugs時，id隨uds增大而線性上公升，相當於線性電阻；改變ugs時，特性曲線的斜率變化，相當於電阻的阻值不同，ugs增大，相應的電阻增大。

⑵恆流區。該區的特點是：id基本不隨uds而變化，僅取決於ugs的值，輸出特性曲線趨於水平，故稱為恆流區或飽和區。

⑶擊穿區。位於特性曲線的最右部分，當uds公升高到一定程度時，反向偏置的pn結被擊穿，id將突然增大。ugs愈負時，達到雪崩擊穿所需的uds電壓愈小。

當ugs=0時其擊穿電壓用budss

⑷截止區。當|ugs|≥|up|時，管子的導電溝道處於完全夾斷狀態，id=0，場效電晶體截止。

2、轉移特性曲線

當漏、源之間電壓uds保持不變時，漏極電流id和柵、源之間電壓ugs的關係稱為轉移特性。即

它描述了柵、源之間的電壓ugs對漏極電流id的控制作用。由圖可見：

ugs=0時，id=idss漏極電流最大，稱為飽合漏極電流idss

|ugs|增大，id減小，當ugs=–up時，id=0。up稱為夾斷電壓。

結型場效電晶體的轉移特性在ugs=0～up範圍內可用下面近似公式表示：

根據輸出特性曲線可以做出轉移特性曲線。

§2 絕緣柵場效電晶體

絕緣柵場效電晶體通常由金屬、氧化物和半導體製成，所以又稱為金屬-氧化物-半導體場效電晶體，簡稱為mos場效電晶體。由於這種場效電晶體的柵極被絕緣層(sio2)隔離(所以稱為絕緣柵)。因此其輸入電阻更高，可達109ω以上。

n溝道 p溝道增強型耗盡型共有四種型別。

一、n溝道增強型mos場效電晶體

1．結構

n溝道增強型mos場效電晶體的結構示意圖如右圖所示。把一塊摻雜濃度較低的p型半導體作為襯底，然後在其表面上覆蓋一層sio2的絕緣層，再在sio2層上刻出兩個視窗，通過擴散工藝形成兩個高摻雜的n型區(用n+表示)，並在n+區和sio2的表面各自噴上一層金屬鋁，分別引出源極、漏極和控制柵極。襯底上也引出一根引線，通常情況下將它和源極在內部相連。

場效電晶體工作原理

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